Zasada skaningowej tunelowej mikroskopii elektronowej
Skaningowy mikroskop tunelowy (STM) to instrument wykorzystujący efekt tunelowania w teorii kwantowej do wykrywania struktury powierzchni materiałów. Wykorzystuje efekt tunelowania kwantowego elektronów między atomami do przekształcania rozmieszczenia atomów na powierzchni materiałów w informacje o obrazie. z.
Wstęp
Transmisyjny mikroskop elektronowy jest bardzo przydatny do obserwacji ogólnej struktury substancji, ale jest trudniejszy w analizie struktury powierzchni, ponieważ transmisyjny mikroskop elektronowy uzyskuje informacje poprzez wysokoenergetyczną energię elektryczną przez próbkę, odzwierciedlając substancję próbki . informacje wewnętrzne. Chociaż skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) może ujawnić pewne warunki powierzchniowe, ponieważ padające elektrony zawsze mają określoną energię i wnikają w próbkę, tak zwana „powierzchnia” analizowana jest zawsze na określonej głębokości, a szybkość rozszczepiania jest również bardzo dotknięty. limit. Chociaż polowy emisyjny mikroskop elektronowy (FEM) i polowy mikroskop jonowy (FIM) mogą być dobrze wykorzystywane do badań powierzchni, próbka musi być specjalnie przygotowana i może być umieszczona tylko na bardzo cienkiej końcówce igły, a także musi być w stanie wytrzymać pola elektryczne o dużym natężeniu, co ogranicza zakres jego zastosowania.
Skaningowy Tunelowy Mikroskop Elektronowy (STM) działa na zupełnie innej zasadzie, nie uzyskuje informacji o substancji próbki poprzez oddziaływanie na nią wiązką elektronów (jak np. transmisyjny i skaningowy mikroskop elektronowy), ani nie wykorzystuje wysokiej pole elektryczne, które powoduje, że elektrony w próbce zyskują więcej niż wychodzą Obrazowanie prądu emisyjnego (takie jak emisyjny mikroskop elektronowy) utworzone przez energię pracy może być wykorzystane do badania materiału próbki. Jest obrazowany przez wykrywanie prądu tunelowego na powierzchni próbki, aby zbadać powierzchnię próbki.
zasada
Skaningowy mikroskop tunelowy jest nowym rodzajem mikroskopowego urządzenia do rozróżniania morfologii powierzchni ciał stałych poprzez wykrywanie prądu tunelowego elektronów w atomach na powierzchni ciała stałego zgodnie z zasadą efektu tunelowania w mechanice kwantowej.
Ze względu na efekt tunelowania elektronów, elektrony w metalu nie są całkowicie zamknięte w granicy powierzchni, to znaczy gęstość elektronów nie spada nagle do zera na granicy powierzchni, ale zanika wykładniczo poza powierzchnią; długość rozpadu wynosi około 1 nm, co jest miarą bariery powierzchniowej dla ucieczki elektronów. Jeśli dwa metale są bardzo blisko siebie, ich chmury elektronowe mogą się nakładać; jeśli między dwoma metalami zostanie przyłożone małe napięcie, można zaobserwować między nimi prąd elektryczny (zwany prądem tunelowym).
Sposób pracy
Chociaż konfiguracje skaningowych tunelowych mikroskopów elektronowych są różne, wszystkie składają się z trzech głównych części: układu mechanicznego (korpusu zwierciadła), który napędza sondę w celu wykonywania trójwymiarowych ruchów względem powierzchni przewodzącej próbki i służy do kontrolować i monitorować sondę. Elektroniczny układ odległości od próbki oraz układ wyświetlacza do przetwarzania danych pomiarowych na obrazy. Posiada dwa tryby pracy: tryb stałego prądu i stały tryb wysoki.
Tryb prądu stałego
Prąd tunelowania jest kontrolowany i utrzymywany na stałym poziomie przez elektroniczny obwód sprzężenia zwrotnego. Następnie system komputerowy steruje końcówką igły, aby zeskanować powierzchnię próbki, to znaczy sprawić, by końcówka igły poruszała się w dwóch wymiarach wzdłuż kierunków x i y. Ponieważ prąd w tunelu musi być kontrolowany, aby był stały, lokalna wysokość między końcówką igły a powierzchnią próbki również pozostanie stała, więc końcówka igły będzie wykonywać te same wzloty i upadki wraz ze wzlotami i spadkami powierzchni próbki, oraz informacje o wysokości zostaną odpowiednio odzwierciedlone. schodzić. Oznacza to, że skaningowy tunelowy mikroskop elektronowy uzyskuje trójwymiarowe informacje o powierzchni próbki. Ta metoda pracy umożliwia uzyskanie kompleksowych informacji o obrazie, wysokiej jakości obrazów mikroskopowych i jest szeroko stosowana.
Tryb stałej wysokości
Utrzymuj stałą wysokość bezwzględną końcówki igły podczas procesu skanowania próbki; wtedy lokalna odległość między końcówką igły a powierzchnią próbki ulegnie zmianie, a wielkość prądu tunelowego I również odpowiednio się zmieni; zmiana prądu tunelowego I jest rejestrowana przez komputer i przetwarzana na sygnał obrazu, to znaczy uzyskiwany jest mikrograf ze skaningowego mikroskopu elektronowego. Ten sposób pracy jest odpowiedni tylko dla próbek o stosunkowo płaskich powierzchniach i pojedynczych elementach.
