Introduktion till skanningstunnelelektronmikroskopi
Introduktion
Transmissionselektronmikroskopet är mycket användbart för att observera ämnets övergripande struktur, men det är svårare i analysen av ytstrukturen, eftersom transmissionselektronmikroskopet får information genom högenergielektriciteten genom provet, vilket återspeglar provsubstansen . Insiderinformation. Även om svepelektronmikroskopi (SEM) kan avslöja vissa ytförhållanden, eftersom de infallande elektronerna alltid har en viss energi och kommer att tränga in i provet, är den så kallade "ytan" som analyseras alltid på ett visst djup, och delningshastigheten är också starkt påverkad. begränsa. Även om fältemissionselektronmikroskop (FEM) och fältjonmikroskop (FIM) väl kan användas för ytforskning, måste provet vara speciellt förberett och kan endast placeras på en mycket tunn nålspets, och provet måste också tåla högintensiva elektriska fält, så att det begränsar dess tillämpningsområde.
Scanning Tunneling Electron Microscope (STM) fungerar på en helt annan princip, det får inte information om provets substans genom att verka på provet med en elektronstråle (som transmissions- och svepelektronmikroskop), och det använder inte heller en hög elektriskt fält för att få elektronerna i provet att öka mer än att komma ut Den emissionsströmavbildning (som fältemissionselektronmikroskop) som bildas av arbetsenergin kan användas för att studera provmaterialet. Den avbildas genom att detektera tunnelströmmen på provets yta, för att studera provets yta.
princip
Skannande tunnelmikroskop är en ny typ av mikroskopisk anordning för att särskilja ytmorfologin hos fasta ämnen genom att detektera tunnelströmmen för elektroner i atomer på den fasta ytan enligt principen om tunneleffekt i kvantmekaniken.
På grund av elektronernas tunneleffekt är elektronerna i metallen inte helt instängda inom ytgränsen, det vill säga elektrondensiteten sjunker inte plötsligt till noll vid ytgränsen, utan avklingar exponentiellt utanför ytan; sönderfallslängden är cirka 1nm, vilket är ett mått på ytbarriären för elektroner att fly. Om två metaller är mycket nära varandra kan deras elektronmoln överlappa varandra; om en liten spänning appliceras mellan de två metallerna kan en elektrisk ström (kallad tunnelström) observeras mellan dem.
Arbetssätt
Även om konfigurationerna av sveptunnelelektronmikroskop är olika, inkluderar de alla följande tre huvuddelar: ett mekaniskt system (spegelkropp) som driver sonden att göra tredimensionella rörelser i förhållande till ytan av det ledande provet, och används för att kontrollera och övervaka sonden. Det elektroniska systemet för avståndet från provet och displaysystemet för omvandling av uppmätta data till bilder. Den har två arbetslägen: konstant strömläge och konstant högt läge.
Konstant strömläge
Tunnelströmmen styrs och hålls konstant av en elektronisk återkopplingskrets. Sedan styr datorsystemet nålspetsen för att skanna på provytan, det vill säga att få nålspetsen att röra sig tvådimensionellt längs x- och y-riktningarna. Eftersom tunnelströmmen måste kontrolleras för att vara konstant, kommer den lokala höjden mellan nålspetsen och provytan också att förbli konstant, så nålspetsen kommer att utföra samma upp- och nedgångar med upp- och nedgångarna på provytan, och höjdinformationen kommer att reflekteras därefter. komma ut. Det vill säga, sveptunnelelektronmikroskopet erhåller den tredimensionella informationen om provytan. Denna arbetsmetod erhåller omfattande bildinformation, högkvalitativa mikroskopiska bilder och används flitigt.
Konstant höjdläge
Håll den absoluta höjden av nålspetsen konstant under skanningsprocessen av provet; då kommer det lokala avståndet mellan nålspetsen och provytan att ändras, och storleken på tunnelströmmen I kommer också att ändras i enlighet därmed; förändringen av tunnelströmmen I registreras av datorn och omvandlas till Bildsignalen visas, det vill säga en scanning tunnelelektronmikroskopmikroskop erhålls. Detta arbetssätt är endast lämpligt för prover med relativt plana ytor och enstaka komponenter.
Ansökan
Principen för tunnelmikroskopet är att på ett smart sätt använda den fysiska tunneleffekten och tunnelströmmen. Det finns ett stort antal "fria" elektroner i metallkroppen, och energifördelningen av dessa "fria" elektroner i metallkroppen är koncentrerad nära Ferminivån, och det finns en potentiell barriär med energi högre än Ferminivån på metallgränsen. Därför, ur klassisk fysiks perspektiv, "fria" elektroner i en metall, bara de elektroner vars energi är högre än gränsbarriären, kan fly från insidan av metallen till utsidan. Men enligt kvantmekanikens principer har fria elektroner i metaller också vågegenskaper, och när denna elektronvåg fortplantar sig till metallgränsen och möter en ytbarriär kommer en del av den att överföras. Det vill säga att vissa elektroner med energi lägre än ytpotentialbarriären kan penetrera metallytpotentialbarriären och bilda ett "elektronmoln" på metallytan. Denna effekt kallas tunnling. Så när två metaller är i närheten (mindre än några nanometer), kommer elektronmolnen i de två metallerna att penetrera varandra. När en lämplig spänning appliceras, även om de två metallerna inte riktigt är i kontakt, kommer en ström att flyta från en metall till en annan. Denna ström kallas tunnelström.
Tunnelström och tunnelmotstånd är mycket känsliga för förändringar i tunnelgapet. Även en förändring på 0.01nm i tunnelgapet kan orsaka betydande förändringar i tunnelströmmen.
Om en mycket vass sond (som en volframnål) används för att skanna parallellt med ytan i x- och y-riktningarna på en höjd av några tiondels nanometer från den släta provytan, eftersom varje atom har en viss storlek, Det mellersta tunnelgapet kommer att variera med x och y, och tunnelströmmen som flyter genom sonden kommer också att vara annorlunda. Även höjdvariationer på några hundradelar av en nanometer kan reflekteras i tunnelströmmar. En brännare som är synkroniserad med avsökningssonden används för att registrera förändringarna av tunnelströmmen, och en avsökningstunnelelektronmikroskopbild med en upplösning på några hundradelar av nanometer kan erhållas.
