Įvadas į skenuojančią tunelinę elektronų mikroskopiją
Įvadas
Perdavimo elektronų mikroskopas yra labai naudingas stebint bendrą medžiagos struktūrą, tačiau sunkiau analizuoti paviršiaus struktūrą, nes perdavimo elektronų mikroskopas informaciją gauna per didelės energijos elektrą per mėginį, atspindinčią mėginio medžiagą. . vidinės informacijos. Nors skenuojanti elektronų mikroskopija (SEM) gali atskleisti tam tikras paviršiaus sąlygas, kadangi krintantys elektronai visada turi tam tikrą energiją ir prasiskverbs į mėginį, analizuojamas vadinamasis „paviršius“ visada yra tam tikrame gylyje, o skilimo greitis taip pat labai paveiktas. riba. Nors lauko emisijos elektronų mikroskopas (FEM) ir lauko jonų mikroskopas (FIM) gali būti gerai naudojami paviršiaus tyrimams, mėginys turi būti specialiai paruoštas ir gali būti dedamas tik ant labai plono adatos galo, o mėginys taip pat turi atlaikyti didelio intensyvumo elektriniai laukai, todėl apriboja jo taikymo sritį.
Skenuojantis tunelinis elektroninis mikroskopas (STM) veikia visiškai kitu principu, jis negauna informacijos apie mėginio medžiagą, veikdamas mėginį elektronų pluoštu (pvz., perdavimo ir skenavimo elektronų mikroskopai), taip pat nenaudoja didelio elektrinis laukas, kad mėginyje esantys elektronai įgytų daugiau nei išeitų. Emisijos srovės vaizdavimas (pvz., lauko emisijos elektronų mikroskopas), suformuotas naudojant darbo energiją, gali būti naudojamas tiriant mėginio medžiagą. Jis vaizduojamas aptinkant tunelio srovę mėginio paviršiuje, kad būtų galima ištirti mėginio paviršių.
principu
Skenuojantis tunelinis mikroskopas – tai naujo tipo mikroskopinis prietaisas, skirtas atskirti kietųjų kūnų paviršiaus morfologiją, nustatant elektronų tunelinę srovę kieto paviršiaus atomuose pagal tunelinio efekto principą kvantinėje mechanikoje.
Dėl elektronų tunelinio efekto metale esantys elektronai nėra visiškai apriboti paviršiaus ribose, tai yra, elektronų tankis staiga nenukrenta iki nulio ties paviršiaus riba, o eksponentiškai nyksta už paviršiaus ribų; skilimo ilgis yra apie 1 nm, o tai yra paviršiaus barjero elektronams pabėgti matas. Jei du metalai yra labai arti vienas kito, jų elektronų debesys gali persidengti; jei tarp dviejų metalų įvedama maža įtampa, tarp jų galima stebėti elektros srovę (vadinamą tuneline srove).
Darbo būdas
Nors skenuojamųjų tunelinių elektroninių mikroskopų konfigūracijos yra skirtingos, juos visus sudaro šios trys pagrindinės dalys: mechaninė sistema (veidrodinis korpusas), kuri varo zondą, kad jis atliktų trimačius judesius laidžiojo mėginio paviršiaus atžvilgiu ir yra naudojamas valdyti ir stebėti zondą. Elektroninė atstumo nuo mėginio sistema ir ekrano sistema, skirta išmatuotų duomenų konvertavimui į vaizdus. Jis turi du darbo režimus: nuolatinės srovės režimą ir nuolatinį aukštą režimą.
Pastovios srovės režimas
Tuneliavimo srovę kontroliuoja ir palaiko pastovi elektroninė grįžtamojo ryšio grandinė. Tada kompiuterinė sistema valdo adatos galiuką, kad nuskaitytų mėginio paviršių, tai yra, kad adatos galas judėtų dviem matmenimis x ir y kryptimis. Kadangi tunelio srovę reikia reguliuoti, kad ji būtų pastovi, vietinis aukštis tarp adatos galo ir mėginio paviršiaus taip pat išliks pastovus, todėl adatos antgalis atliks tuos pačius kilimus ir nuosmukius su mėginio paviršiaus pakilimais ir nuosmukiais, ir aukščio informacija bus atitinkamai atspindėta. išeik. Tai reiškia, kad skenuojantis tunelinis elektroninis mikroskopas gauna trimatę informaciją apie mėginio paviršių. Šiuo darbo metodu gaunama visapusiška vaizdo informacija, aukštos kokybės mikroskopiniai vaizdai ir jis yra plačiai naudojamas.
Nuolatinio aukščio režimas
Mėginio nuskaitymo metu absoliutus adatos galo aukštis turi būti pastovus; tada pasikeis vietinis atstumas tarp adatos galo ir mėginio paviršiaus, atitinkamai pasikeis ir tunelio srovės dydis I; tunelio srovės I pokytį fiksuoja kompiuteris ir konvertuoja į Rodomas vaizdo signalas, tai yra gaunama skenuojanti tunelinio elektroninio mikroskopo mikrografija. Šis darbo būdas tinka tik palyginti plokščių paviršių ir atskirų komponentų mėginiams.
taikymas
Tunelinio mikroskopo principas yra sumaniai panaudoti fizinį tuneliavimo efektą ir tuneliavimo srovę. Metaliniame kūne yra daug „laisvųjų“ elektronų, o šių „laisvųjų“ elektronų energijos pasiskirstymas metaliniame kūne yra sutelktas netoli Fermio lygio, ir yra potencialo barjeras, kurio energija yra didesnė už Fermio lygį. metalo riba. Todėl, žvelgiant iš klasikinės fizikos perspektyvos, iš metalo vidaus į išorę gali išeiti „laisvieji“ elektronai metale, tik tie elektronai, kurių energija yra didesnė už ribinį barjerą. Tačiau pagal kvantinės mechanikos principus laisvieji elektronai metaluose turi ir banginių savybių, o šiai elektronų bangai išplitus iki metalo ribos ir susidūrus su paviršiaus barjeru, dalis jos bus perduota. Tai reiškia, kad kai kurie elektronai, kurių energija mažesnė už paviršiaus potencialo barjerą, gali prasiskverbti pro metalo paviršiaus potencialo barjerą ir suformuoti „elektronų debesį“ ant metalo paviršiaus. Šis efektas vadinamas tuneliu. Taigi, kai du metalai yra arti (mažiau nei keli nanometrai), dviejų metalų elektronų debesys prasiskverbs vienas į kitą. Kai naudojama tinkama įtampa, net jei abu metalai iš tikrųjų nesiliečia, srovė tekės iš vieno metalo į kitą. Ši srovė vadinama tunelio srove.
Tunelio srovė ir tunelio varža yra labai jautrūs tunelio tarpo pokyčiams. Net 0.01 nm pokytis tunelio tarpelyje gali sukelti reikšmingų tunelio srovės pokyčių.
Jei labai aštrus zondas (pvz., volframo adata) yra naudojamas skenuoti lygiagrečiai paviršiui x ir y kryptimis kelių dešimtųjų nanometrų aukštyje nuo lygaus mėginio paviršiaus, nes kiekvienas atomas turi tam tikrą dydį, Vidurinis tunelio tarpas skirsis priklausomai nuo x ir y, o per zondą tekanti tunelio srovė taip pat skirsis. Net kelių šimtųjų nanometrų aukščio svyravimai gali atsispindėti tunelinėse srovėse. Tunelinės srovės pokyčiams fiksuoti naudojamas su skenuojančiu zondu sinchronizuotas registratorius, galima gauti kelių šimtųjų nanometrų raiškos skenuojančio tunelinio elektroninio mikroskopo vaizdą.
