Introduksjon til skannetunnelelektronmikroskopi
Introduksjon
Transmisjonselektronmikroskopet er veldig nyttig for å observere den generelle strukturen til stoffet, men det er vanskeligere i analysen av overflatestrukturen, fordi transmisjonselektronmikroskopet innhenter informasjon gjennom høyenergielektrisiteten gjennom prøven, og reflekterer prøvestoffet . innsideinformasjon. Selv om skanningselektronmikroskopi (SEM) kan avsløre visse overflateforhold, siden de innfallende elektronene alltid har en viss energi og vil trenge inn i prøven, er den såkalte "overflaten" som analyseres alltid på en viss dybde, og spaltningshastigheten er også sterkt påvirket. grense. Selv om Field Emission Electron Microscope (FEM) og Field Ion Microscope (FIM) godt kan brukes til overflateforskning, må prøven være spesielt klargjort og kan kun plasseres på en veldig tynn nålespiss, og prøven må også tåle høyintensive elektriske felt, slik at det begrenser bruksområdet.
Scanning Tunneling Electron Microscope (STM) fungerer etter et helt annet prinsipp, det innhenter ikke informasjon om stoffet i prøven ved å virke på prøven med en elektronstråle (som transmisjons- og skanningelektronmikroskop), og det bruker heller ikke en høy elektrisk felt for å få elektronene i prøven til å øke mer enn å komme ut Emisjonsstrømavbildningen (som feltemisjonselektronmikroskop) dannet av arbeidsenergien kan brukes til å studere prøvematerialet. Det avbildes ved å detektere tunnelstrømmen på overflaten av prøven, for å studere overflaten av prøven.
prinsipp
Skannetunnelmikroskop er en ny type mikroskopisk enhet for å skille overflatemorfologien til faste stoffer ved å oppdage tunnelstrømmen til elektroner i atomer på den faste overflaten i henhold til prinsippet om tunneleffekt i kvantemekanikk.
På grunn av tunneleffekten til elektroner er elektronene i metallet ikke helt innesperret innenfor overflategrensen, det vil si at elektronets tetthet faller ikke plutselig til null ved overflategrensen, men forfaller eksponentielt utenfor overflaten; henfallslengden er ca. 1nm, som er et mål på overflatebarrieren for elektroner å unnslippe. Hvis to metaller er svært nær hverandre, kan deres elektronskyer overlappe hverandre; hvis det påføres en liten spenning mellom de to metallene, kan det observeres en elektrisk strøm (kalt tunnelstrøm) mellom dem.
Måte å jobbe på
Selv om konfigurasjonene til skanningstunnelelektronmikroskoper er forskjellige, inkluderer de alle følgende tre hoveddeler: et mekanisk system (speillegeme) som driver sonden til å gjøre tredimensjonale bevegelser i forhold til overflaten av den ledende prøven, og brukes til å kontrollere og overvåke sonden. Det elektroniske systemet for avstanden fra prøven og visningssystemet for å konvertere de målte dataene til bilder. Den har to arbeidsmoduser: konstantstrømmodus og konstant høymodus.
Konstant strømmodus
Tunnelstrømmen styres og holdes konstant av en elektronisk tilbakemeldingskrets. Deretter styrer datasystemet nålespissen for å skanne på prøveoverflaten, det vil si å få nålespissen til å bevege seg todimensjonalt langs x- og y-retningene. Siden tunnelstrømmen må kontrolleres for å være konstant, vil den lokale høyden mellom nålespissen og prøveoverflaten også forbli konstant, slik at nålespissen vil utføre de samme opp- og nedturene med opp- og nedturer på prøveoverflaten, og høydeinformasjonen vil reflekteres tilsvarende. kom ut. Det vil si at skanningstunnelelektronmikroskopet innhenter den tredimensjonale informasjonen til prøveoverflaten. Denne arbeidsmetoden oppnår omfattende bildeinformasjon, høykvalitets mikroskopiske bilder, og er mye brukt.
Modus for konstant høyde
Hold den absolutte høyden på nålespissen konstant under skanningsprosessen av prøven; da vil den lokale avstanden mellom nålespissen og prøveoverflaten endres, og størrelsen på tunnelstrømmen I vil også endre seg tilsvarende; endringen av tunnelstrømmen I registreres av datamaskinen og konverteres til Bildesignalet vises, det vil si at det oppnås et skanningstunnelelektronmikroskopmikroskop. Denne måten å jobbe på er kun egnet for prøver med relativt flate overflater og enkeltkomponenter.
applikasjon
Prinsippet til tunnelmikroskopet er å bruke den fysiske tunneleffekten og tunnelstrømmen på en smart måte. Det er et stort antall "frie" elektroner i metalllegemet, og energifordelingen til disse "frie" elektronene i metalllegemet er konsentrert nær Fermi-nivået, og det er en potensiell barriere med energi høyere enn Fermi-nivået på metallgrensen. Derfor, fra perspektivet til klassisk fysikk, "frie" elektroner i et metall, kan bare de elektronene hvis energi er høyere enn grensebarrieren, unnslippe fra innsiden av metallet til utsiden. Men i henhold til kvantemekanikkens prinsipper har frie elektroner i metaller også bølgeegenskaper, og når denne elektronbølgen forplanter seg til metallgrensen og møter en overflatebarriere, vil en del av den bli overført. Det vil si at noen elektroner med energi lavere enn overflatepotensialbarrieren kan trenge inn i metalloverflatepotensialbarrieren og danne en "elektronsky" på metalloverflaten. Denne effekten kalles tunneling. Så når to metaller er i umiddelbar nærhet (mindre enn noen få nanometer), vil elektronskyene til de to metallene trenge gjennom hverandre. Når en passende spenning påføres, selv om de to metallene egentlig ikke er i kontakt, vil en strøm flyte fra ett metall til et annet. Denne strømmen kalles tunnelstrøm.
Tunnelstrøm og tunnelmotstand er svært følsomme for endringer i tunnelgapet. Selv en endring på 0.01nm i tunnelgapet kan forårsake betydelige endringer i tunnelstrømmen.
Hvis en veldig skarp sonde (som en wolframnål) brukes til å skanne parallelt med overflaten i x- og y-retningene i en høyde på noen tideler av nanometer fra den glatte prøveoverflaten, siden hvert atom har en viss størrelse, Den midtre tunnelgapet vil variere med x og y, og tunnelstrømmen som går gjennom sonden vil også være forskjellig. Selv høydevariasjoner på noen få hundredeler av en nanometer kan reflekteres i tunnelstrømmer. En opptaker synkronisert med skanningssonden brukes til å registrere endringene i tunnelstrømmen, og et skanningstunnelelektronmikroskopbilde med en oppløsning på noen få hundredeler av nanometer kan oppnås.
