Принцип сканирующей туннельной электронной микроскопии
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — это инструмент, использующий туннельный эффект в квантовой теории для обнаружения структуры поверхности материалов. Он использует эффект квантового туннелирования электронов между атомами для преобразования расположения атомов на поверхности материалов в информацию об изображении. из.
Введение
Просвечивающий электронный микроскоп очень удобен для наблюдения за общей структурой вещества, но более сложен при анализе структуры поверхности, потому что трансмиссионный электронный микроскоп получает информацию через высокоэнергетическое электричество через образец, отражая вещество образца. . внутренняя информация. Хотя сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) может выявить определенные состояния поверхности, поскольку падающие электроны всегда имеют определенную энергию и будут проникать в образец, анализируемая так называемая «поверхность» всегда находится на определенной глубине, и скорость расщепления также сильно пострадал. предел. Хотя полевой эмиссионный электронный микроскоп (FEM) и полевой ионный микроскоп (FIM) можно хорошо использовать для исследования поверхности, образец должен быть специально подготовлен и может быть помещен только на очень тонкий кончик иглы, а образец также должен выдерживать электрические поля высокой интенсивности, что ограничивает область его применения.
Сканирующий туннельный электронный микроскоп (СТМ) работает по совершенно другому принципу, он не получает информацию о веществе образца путем воздействия на образец электронным пучком (как в просвечивающем и сканирующем электронных микроскопах), а также не использует высокое электрическое поле, чтобы заставить электроны в образце получить больше, чем выйти. Изображение эмиссионного тока (например, с помощью автоэмиссионного электронного микроскопа), образованное энергией работы, может использоваться для изучения материала образца. Это отображается путем обнаружения туннельного тока на поверхности образца, чтобы изучить поверхность образца.
принцип
Сканирующий туннельный микроскоп — это новый тип микроскопического устройства для различения морфологии поверхности твердых тел путем обнаружения туннельного тока электронов в атомах на поверхности твердого тела в соответствии с принципом туннельного эффекта в квантовой механике.
Из-за туннельного эффекта электронов электроны в металле не полностью ограничены границей поверхности, то есть плотность электронов не падает внезапно до нуля на границе поверхности, а экспоненциально затухает вне поверхности; длина распада составляет около 1 нм, что является мерой поверхностного барьера для выхода электронов. Если два металла находятся очень близко друг к другу, их электронные облака могут перекрываться; если между двумя металлами приложить небольшое напряжение, между ними может наблюдаться электрический ток (называемый туннельным током).
Способ работы
Хотя конфигурации сканирующих туннельных электронных микроскопов различны, все они включают следующие три основные части: механическую систему (корпус зеркала), которая заставляет зонд совершать трехмерные движения относительно поверхности проводящего образца и используется для контролировать и контролировать зонд. Электронная система определения расстояния от образца и система отображения для преобразования измеренных данных в изображения. Он имеет два режима работы: режим постоянного тока и режим постоянного высокого напряжения.
Режим постоянного тока
Туннельный ток контролируется и поддерживается постоянным с помощью электронной схемы обратной связи. Затем компьютерная система управляет кончиком иглы для сканирования поверхности образца, то есть заставляет кончик иглы двигаться в двух измерениях вдоль направлений x и y. Поскольку туннельный ток необходимо контролировать, чтобы он был постоянным, локальная высота между кончиком иглы и поверхностью образца также будет оставаться постоянной, поэтому кончик иглы будет выполнять те же подъемы и опускания с подъемами и опусканиями поверхности образца, и информация о высоте будет отражена соответствующим образом. публично заявить. Другими словами, сканирующий туннельный электронный микроскоп получает трехмерную информацию о поверхности образца. Этот рабочий метод позволяет получить исчерпывающую информацию об изображении, высококачественные микроскопические изображения и широко используется.
Режим постоянной высоты
Поддерживайте постоянную абсолютную высоту кончика иглы в процессе сканирования образца; тогда изменится локальное расстояние между острием иглы и поверхностью образца, и соответственно изменится величина туннельного тока I; изменение туннельного тока I регистрируется компьютером и преобразуется в Отображается сигнал изображения, то есть получается микрофотография сканирующего туннельного электронного микроскопа. Этот способ работы подходит только для образцов с относительно плоскими поверхностями и отдельными компонентами.
