Princíp skenovacej tunelovej elektrónovej mikroskopie
Skenovací tunelový mikroskop (STM) je prístroj, ktorý využíva tunelový efekt v kvantovej teórii na detekciu povrchovej štruktúry materiálov. Využíva efekt kvantového tunelovania elektrónov medzi atómami na premenu usporiadania atómov na povrchu materiálov na obrazovú informáciu. z
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 napríklad elektrónový mikroskop s emisiou poľa) vytvorené energiou práce sa môže 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.
