Zastosowania skaningowej tunelowej mikroskopii elektronowej
Zasada działania mikroskopu tunelowego polega na sprytnym wykorzystaniu fizycznego efektu tunelowania i prądu tunelowego. W ciele metalowym znajduje się duża liczba „swobodnych” elektronów, a rozkład energii tych „swobodnych” elektronów w ciele metalowym jest skoncentrowany w pobliżu poziomu Fermiego i istnieje bariera potencjału o energii wyższej niż poziom Fermiego na metalowa granica. Dlatego z punktu widzenia fizyki klasycznej „swobodne” elektrony w metalu, tylko te elektrony, których energia jest wyższa niż bariera graniczna, mogą wydostać się z wnętrza metalu na zewnątrz. Jednak zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej swobodne elektrony w metalach również mają właściwości falowe, a kiedy ta fala elektronowa rozchodzi się do granicy metalu i napotyka barierę powierzchniową, część z niej zostanie przeniesiona. Oznacza to, że niektóre elektrony o energii niższej niż bariera potencjału powierzchniowego mogą przenikać przez barierę potencjału powierzchni metalu i tworzyć „chmurę elektronów” na powierzchni metalu. Efekt ten nazywany jest tunelowaniem. Tak więc, gdy dwa metale znajdują się w bliskiej odległości (mniej niż kilka nanometrów), chmury elektronów obu metali będą się przenikać. Po przyłożeniu odpowiedniego napięcia, nawet jeśli dwa metale tak naprawdę nie stykają się, prąd przepłynie z jednego metalu do drugiego. Ten prąd nazywa się prądem tunelowym.
Prąd tunelowy i rezystancja tunelu są bardzo wrażliwe na zmiany szczeliny tunelowej. Nawet zmiana 0,01 nm w szczelinie tunelu może spowodować znaczne zmiany prądu w tunelu.
Jeśli bardzo ostra sonda (taka jak igła wolframowa) jest używana do skanowania równolegle do powierzchni w kierunkach x i y na wysokości kilku dziesiątych nanometra od gładkiej powierzchni próbki, ponieważ każdy atom ma określony rozmiar, Środkowa przerwa w tunelu będzie się zmieniać wraz z x i y, a prąd w tunelu przepływający przez sondę również będzie inny. Nawet zmiany wysokości rzędu kilku setnych nanometra mogą znaleźć odzwierciedlenie w prądach tunelowych. Rejestrator zsynchronizowany z sondą skanującą służy do rejestracji zmian prądu tunelowego i uzyskiwania obrazu ze skaningowego mikroskopu elektronowego o rozdzielczości kilku setnych nanometra.
