Úvod do rastrovací tunelovací elektronové mikroskopie
Úvod
Transmisní elektronový mikroskop je velmi užitečný při pozorování celkové struktury látky, ale je obtížnější při analýze povrchové struktury, protože transmisní elektronový mikroskop získává informaci prostřednictvím vysokoenergetické elektřiny přes vzorek, odrážející látku vzorku. . vnitřní informace. Přestože rastrovací elektronová mikroskopie (SEM) může odhalit určité povrchové podmínky, protože dopadající elektrony mají vždy určitou energii a proniknou do vzorku, analyzovaný takzvaný "povrch" je vždy v určité hloubce a rychlost štěpení je také velmi ovlivněna. omezit. Přestože lze pro povrchový výzkum dobře použít Field Emission Electron Microscope (FEM) a Field Ion Microscope (FIM), vzorek musí být speciálně připraven a může být umístěn pouze na velmi tenký hrot jehly a vzorek musí také odolat elektrická pole vysoké intenzity, takže omezuje rozsah jeho použití.
Rastrovací tunelový elektronový mikroskop (STM) pracuje na zcela jiném principu, nezískává informace o látce vzorku působením na vzorek elektronovým paprskem (jako jsou transmisní a rastrovací elektronové mikroskopy), ani nepoužívá vysokou elektrické pole, aby elektrony ve vzorku více získaly, než vyšly Emisní proudové zobrazování (jako je elektronový mikroskop s emisemi v poli) vytvořené energií práce lze použít ke studiu materiálu vzorku. Je zobrazován detekcí tunelového proudu na povrchu vzorku, aby bylo možné studovat povrch vzorku.
zásada
Rastrovací tunelový mikroskop je nový typ mikroskopického zařízení pro rozlišení povrchové morfologie pevných látek detekcí tunelovacího proudu elektronů v atomech na pevném povrchu podle principu tunelovacího efektu v kvantové mechanice.
V důsledku tunelovacího efektu elektronů nejsou elektrony v kovu zcela omezeny na hranici povrchu, to znamená, že hustota elektronů neklesne náhle na nulu na hranici povrchu, ale exponenciálně se rozpadá mimo povrch; délka rozpadu je asi 1 nm, což je míra povrchové bariéry pro únik elektronů. Jsou-li dva kovy velmi blízko u sebe, mohou se jejich elektronová oblaka překrývat; pokud je mezi dva kovy aplikováno malé napětí, lze mezi nimi pozorovat elektrický proud (nazývaný tunelový proud).
Způsob práce
Přestože se konfigurace rastrovacích tunelových elektronových mikroskopů liší, všechny zahrnují následující tři hlavní části: mechanický systém (tělo zrcadla), který pohání sondu tak, aby vykonávala trojrozměrné pohyby vzhledem k povrchu vodivého vzorku, a používá se k ovládat a sledovat sondu. Elektronický systém pro měření vzdálenosti od vzorku a zobrazovací systém pro převod naměřených dat na obrázky. Má dva pracovní režimy: režim konstantního proudu a režim konstantního vysokého proudu.
Režim konstantního proudu
Tunelovací proud je řízen a udržován na konstantní úrovni elektronickým zpětnovazebním obvodem. Potom počítačový systém řídí hrot jehly, aby skenoval povrch vzorku, to znamená, aby se hrot jehly pohyboval dvourozměrně ve směru x a y. Vzhledem k tomu, že proud tunelu musí být řízen tak, aby byl konstantní, místní výška mezi špičkou jehly a povrchem vzorku zůstane také konstantní, takže špička jehly bude provádět stejné pohyby nahoru a dolů s povrchy vzorku a informace o výšce se odpovídajícím způsobem projeví. vyjít. To znamená, že rastrovací tunelový elektronový mikroskop získává trojrozměrné informace o povrchu vzorku. Tato pracovní metoda získává komplexní obrazové informace, vysoce kvalitní mikroskopické obrazy a je široce používána.
Režim konstantní výšky
Udržujte absolutní výšku špičky jehly konstantní během procesu skenování vzorku; pak se změní místní vzdálenost mezi špičkou jehly a povrchem vzorku a podle toho se také změní velikost tunelového proudu I; změna tunelového proudu I je zaznamenána počítačem a převedena na Obrazový signál se zobrazí, to znamená, že se získá mikrosnímek rastrovacího tunelového elektronového mikroskopu. Tento způsob práce je vhodný pouze pro vzorky s relativně plochým povrchem a jednotlivými součástmi.
aplikace
Principem tunelovacího mikroskopu je chytré využití fyzikálního tunelovacího efektu a tunelovacího proudu. V kovovém těle je velké množství "volných" elektronů a distribuce energie těchto "volných" elektronů v kovovém těle je soustředěna poblíž Fermiho hladiny a existuje potenciální bariéra s energií vyšší než Fermiho hladina. kovová hranice. Z pohledu klasické fyziky tedy „volné“ elektrony v kovu, pouze ty elektrony, jejichž energie je vyšší než hraniční bariéra, mohou uniknout z vnitřku kovu ven. Volné elektrony v kovech však mají podle principů kvantové mechaniky také vlnové vlastnosti, a když se tato elektronová vlna šíří ke hranici kovu a narazí na povrchovou bariéru, část se propustí. To znamená, že některé elektrony s energií nižší než bariéra povrchového potenciálu mohou proniknout bariérou kovového povrchového potenciálu a vytvořit na povrchu kovu "elektronový mrak". Tento efekt se nazývá tunelování. Takže když jsou dva kovy v těsné blízkosti (méně než několik nanometrů), elektronová mračna těchto dvou kovů proniknou navzájem. Když je aplikováno vhodné napětí, i když dva kovy nejsou ve skutečnosti v kontaktu, proud bude téct z jednoho kovu do druhého. Tento proud se nazývá tunelový proud.
Tunelový proud a tunelový odpor jsou velmi citlivé na změny v tunelové mezeře. I změna 0.01nm v mezeře tunelu může způsobit významné změny v tunelovém proudu.
Pokud se použije velmi ostrá sonda (jako je wolframová jehla) ke skenování rovnoběžně s povrchem ve směrech x a y ve výšce několika desetin nanometrů od hladkého povrchu vzorku, protože každý atom má určitou velikost, Střední tunelová mezera se bude měnit s x a y a tunelový proud protékající sondou se bude také lišit. Dokonce i výškové odchylky několika setin nanometru se mohou projevit v tunelových proudech. Pro záznam změn tunelovacího proudu se používá záznamník synchronizovaný s rastrovací sondou a lze získat obraz skenovacího tunelového elektronového mikroskopu s rozlišením několika setin nanometrů.
