Применение сканирующего туннельного электронного микроскопа
Принцип туннельной микроскопии заключается в умелом использовании туннельного эффекта и туннельного тока в физике. В металлическом теле имеется большое количество «свободных» электронов, эти «свободные» электроны в металлическом теле по энергетическому распределению сосредоточены в районе уровня энергии Ферми, тогда как на границе металла имеется более высокая энергия, чем уровень энергии Ферми потенциального барьера. Следовательно, с точки зрения классической физики, из «свободных» электронов внутри металла из металла наружу может выйти только энергия, превышающая граничный потенциальный барьер этих электронов. Однако, согласно квантовой механике, свободные электроны в металле также обладают летучестью, и когда эта электронная волна распространяется к границе металла и сталкивается с поверхностным потенциальным барьером, происходит некоторая передача. То есть часть энергии ниже поверхностного потенциального барьера электрона может проникнуть через поверхностный барьер металла, образуя на поверхности металла «электронное облако». Этот эффект называется туннельным эффектом. Следовательно, когда два металла находятся очень близко друг к другу (на расстоянии менее нескольких нанометров), электронные облака двух металлов будут проникать друг в друга. При добавлении соответствующего напряжения, даже если два металла на самом деле не находятся в контакте, от одного металла к другому будет течь ток, который называется туннельным током.
Туннельный ток и туннельное сопротивление с туннельным зазором очень чувствительны к изменениям туннельного зазора, даже если изменение всего 0.01 нм также может вызвать значительные изменения туннельного тока.
Если очень острый зонд (например, вольфрамовая игла) на расстоянии от гладкой поверхности образца на несколько десятых нанометра будет параллелен поверхности в направлении сканирования x, y, поскольку каждый атом имеет определенный размер и, таким образом, в процессе сканирования туннельный зазор будет с x, y разными и разными, туннельный ток, протекающий через зонд, также различен. Даже изменение высоты на несколько процентов нанометра может отразиться на туннельном токе. При использовании сканирующего зонда с синхронизированным регистратором изменения туннельного тока будут записываться, можно получить разрешение в несколько нанометров изображений, полученных сканирующим туннельным электронным микроскопом.
