Применение сканирующей туннельной электронной микроскопии
Принцип работы туннельного микроскопа заключается в умелом использовании физического туннельного эффекта и туннельного тока. В металлическом теле имеется большое количество «свободных» электронов, и энергетическое распределение этих «свободных» электронов в металлическом теле сосредоточено вблизи уровня Ферми, а на уровне Ферми существует потенциальный барьер с энергией выше уровня Ферми. металлическая граница. Поэтому, с точки зрения классической физики, из «свободных» электронов в металле наружу могут выйти только те электроны, энергия которых выше граничного барьера. Однако, согласно принципам квантовой механики, свободные электроны в металлах также обладают волновыми свойствами, и при распространении этой электронной волны к границе металла и встрече с поверхностным барьером часть ее будет пропущена. То есть некоторые электроны с энергией ниже поверхностного потенциального барьера могут проникать через потенциальный барьер поверхности металла и образовывать «электронное облако» на поверхности металла. Этот эффект называется туннелированием. Итак, когда два металла находятся в непосредственной близости (менее нескольких нанометров), электронные облака двух металлов будут проникать друг в друга. Когда приложено соответствующее напряжение, даже если два металла на самом деле не соприкасаются, ток будет течь от одного металла к другому. Этот ток называется туннельным током.
Туннельный ток и туннельное сопротивление очень чувствительны к изменениям туннельного зазора. Даже изменение туннельного зазора на 0.01 нм может привести к значительным изменениям туннельного тока.
Если использовать очень острый зонд (например, вольфрамовую иглу) для сканирования параллельно поверхности в направлениях x и y на высоте нескольких десятых нанометров от гладкой поверхности образца, поскольку каждый атом имеет определенный размер, Средний туннельный зазор будет меняться в зависимости от x и y, и туннельный ток, протекающий через зонд, также будет различным. Даже изменения высоты в несколько сотых долей нанометра могут отражаться в туннельных токах. Регистратор, синхронизированный со сканирующим зондом, используется для регистрации изменений туннельного тока, и может быть получено изображение сканирующего туннельного электронного микроскопа с разрешением в несколько сотых нанометров.
