Úvod do skenovacej tunelovej elektrónovej mikroskopie
Úvod
Transmisný elektrónový mikroskop je veľmi užitočný pri pozorovaní celkovej štruktúry látky, ale je zložitejší pri analýze povrchovej štruktúry, pretože transmisný elektrónový mikroskop získava informácie prostredníctvom vysokoenergetickej elektriny cez vzorku, odrážajúc látku vzorky. . vnútorné informácie. Hoci skenovacia elektrónová mikroskopia (SEM) môže odhaliť určité povrchové podmienky, keďže dopadajúce elektróny majú vždy určitú energiu a preniknú do vzorky, takzvaný „povrch“ analyzovaný je vždy v určitej hĺbke a rýchlosť štiepenia je tiež značne ovplyvnený. limit. Napriek tomu, že poľný emisný elektrónový mikroskop (FEM) a poľný iónový mikroskop (FIM) možno dobre použiť na povrchový výskum, vzorka musí byť špeciálne pripravená a môže byť umiestnená len na veľmi tenkom hrote ihly a vzorka musí tiež odolávať elektrické polia s vysokou intenzitou, takže obmedzuje rozsah jeho použitia.
Rastrovací tunelový elektrónový mikroskop (STM) pracuje na úplne inom princípe, nezískava informácie o látke vzorky pôsobením na vzorku elektrónovým lúčom (ako napr. transmisné a rastrovacie elektrónové mikroskopy), ani nevyužíva vysokú elektrické pole, vďaka ktorému elektróny vo vzorke viac zosilnia, než vyjdú Emisné prúdové zobrazovanie (ako napr. poľný emisný elektrónový mikroskop) vytvorené energiou práce možno použiť na štúdium materiálu vzorky. Zobrazuje sa detekciou tunelového prúdu na povrchu vzorky, aby sa študoval povrch vzorky.
princíp
Rastrovací tunelový mikroskop je nový typ mikroskopického zariadenia na rozlíšenie povrchovej morfológie pevných látok detekciou tunelovacieho prúdu elektrónov v atómoch na pevnom povrchu podľa princípu tunelovacieho efektu v kvantovej mechanike.
V dôsledku tunelovacieho efektu elektrónov nie sú elektróny v kove úplne uzavreté v rámci povrchovej hranice, to znamená, že hustota elektrónov neklesne náhle na nulu na hranici povrchu, ale exponenciálne sa rozpadá mimo povrchu; dĺžka rozpadu je asi 1 nm, čo je miera povrchovej bariéry pre únik elektrónov. Ak sú dva kovy veľmi blízko seba, ich elektrónové oblaky sa môžu prekrývať; ak sa medzi dva kovy aplikuje malé napätie, možno medzi nimi pozorovať elektrický prúd (nazývaný tunelový prúd).
Spôsob práce
Hoci sú konfigurácie rastrovacích tunelových elektrónových mikroskopov odlišné, všetky zahŕňajú tieto tri hlavné časti: mechanický systém (telo zrkadla), ktorý poháňa sondu tak, aby vykonávala trojrozmerné pohyby vzhľadom na povrch vodivej vzorky, a používa sa na ovládať a monitorovať sondu. Elektronický systém na meranie vzdialenosti od vzorky a zobrazovací systém na konverziu nameraných údajov na obrázky. Má dva pracovné režimy: režim konštantného prúdu a režim konštantného vysokého napätia.
Režim konštantného prúdu
Tunelovací prúd je riadený a udržiavaný konštantný elektronickým spätnoväzbovým obvodom. Potom počítačový systém riadi hrot ihly, aby skenoval na povrchu vzorky, to znamená, aby sa hrot ihly pohyboval dvojrozmerne v smere x a y. Keďže prúd tunela musí byť riadený tak, aby bol konštantný, lokálna výška medzi špičkou ihly a povrchom vzorky zostane tiež konštantná, takže špička ihly bude vykonávať rovnaké vzostupy a pády s vzostupmi a zostupmi povrchu vzorky a informácie o výške sa zodpovedajúcim spôsobom prejavia. vyjsť. To znamená, že skenovací tunelový elektrónový mikroskop získava trojrozmerné informácie o povrchu vzorky. Táto pracovná metóda získava komplexné obrazové informácie, vysokokvalitné mikroskopické obrazy a je široko používaná.
Režim konštantnej výšky
Udržujte absolútnu výšku hrotu ihly konštantnú počas procesu skenovania vzorky; potom sa zmení lokálna vzdialenosť medzi špičkou ihly a povrchom vzorky a podľa toho sa zmení aj veľkosť tunelového prúdu I; zmena tunelového prúdu I sa zaznamená počítačom a prevedie sa na Obrazový signál sa zobrazí, to znamená, že sa získa mikrosnímka z rastrovacieho tunelového elektrónového mikroskopu. Tento spôsob práce je vhodný len pre vzorky s relatívne plochým povrchom a jednotlivými komponentmi.
aplikácie
Princíp tunelovacieho mikroskopu spočíva v šikovnom využití fyzikálneho tunelovacieho efektu a tunelovacieho prúdu. V kovovom tele je veľké množstvo "voľných" elektrónov a distribúcia energie týchto "voľných" elektrónov v kovovom tele je sústredená v blízkosti Fermiho hladiny a existuje potenciálová bariéra s energiou vyššou ako Fermiho hladina na kovová hranica. Preto z pohľadu klasickej fyziky „voľné“ elektróny v kove, len tie elektróny, ktorých energia je vyššia ako hraničná bariéra, môžu uniknúť z vnútra kovu von. Podľa princípov kvantovej mechaniky však aj voľné elektróny v kovoch majú vlnové vlastnosti a keď sa táto elektrónová vlna šíri k hranici kovu a narazí na povrchovú bariéru, časť sa prenesie. To znamená, že niektoré elektróny s energiou nižšou ako je povrchová potenciálová bariéra môžu preniknúť cez kovovú povrchovú potenciálovú bariéru a vytvoriť na kovovom povrchu "elektrónový oblak". Tento efekt sa nazýva tunelovanie. Takže, keď sú dva kovy v tesnej blízkosti (menej ako niekoľko nanometrov), elektrónové oblaky týchto dvoch kovov navzájom preniknú. Keď sa použije vhodné napätie, aj keď dva kovy nie sú skutočne v kontakte, prúd bude tiecť z jedného kovu do druhého. Tento prúd sa nazýva tunelový prúd.
Tunelový prúd a tunelový odpor sú veľmi citlivé na zmeny v tunelovej medzere. Dokonca aj zmena o 0,01 nm v tunelovej medzere môže spôsobiť významné zmeny v tunelovom prúde.
Ak sa použije veľmi ostrá sonda (napríklad volfrámová ihla) na skenovanie rovnobežne s povrchom v smeroch x a y vo výške niekoľkých desatín nanometrov od hladkého povrchu vzorky, pretože každý atóm má určitú veľkosť, Medzera stredného tunela sa bude meniť s x a y a tiež sa bude líšiť tunelový prúd pretekajúci cez sondu. Dokonca aj výškové odchýlky niekoľkých stotín nanometra sa môžu prejaviť v tunelových prúdoch. Na zaznamenávanie zmien tunelovacieho prúdu sa používa záznamník synchronizovaný so skenovacou sondou a možno získať obraz skenovacieho tunelového elektrónového mikroskopu s rozlíšením niekoľkých stotín nanometrov.
