Principiul microscopiei electronice cu scanare tunel
Microscopul de scanare cu tunel (STM) este un instrument care utilizează efectul de tunel în teoria cuantică pentru a detecta structura de suprafață a materialelor. Utilizează efectul de tunel cuantic al electronilor între atomi pentru a converti aranjamentul atomilor de pe suprafața materialelor în informații de imagine. de.
Introducere
Microscopul electronic cu transmisie este foarte util în observarea structurii generale a substanței, dar este mai dificil în analiza structurii suprafeței, deoarece microscopul electronic cu transmisie obține informații prin intermediul electricității de înaltă energie prin probă, reflectând substanța eșantionului. . informații din interior. Deși microscopia electronică cu scanare (SEM) poate dezvălui anumite condiții de suprafață, deoarece electronii incidenti au întotdeauna o anumită energie și vor pătrunde în probă, așa-numita „suprafață” analizată este întotdeauna la o anumită adâncime, iar rata de divizare este, de asemenea, foarte afectat. limită. Deși microscopul electronic cu emisie de câmp (FEM) și microscopul cu ioni de câmp (FIM) pot fi bine utilizate pentru cercetarea suprafeței, proba trebuie pregătită special și poate fi plasată doar pe un vârf de ac foarte subțire, iar proba trebuie să poată rezista. câmpuri electrice de mare intensitate, astfel încât să-și limiteze domeniul de aplicare.
Scanning Tunneling Electron Microscope (STM) funcționează pe un principiu complet diferit, nu obține informații despre substanța probei acționând asupra eșantionului cu un fascicul de electroni (cum ar fi microscoapele electronice cu transmisie și scanare), și nici nu utilizează un câmp electric pentru a face ca electronii din eșantion să câștige mai mult decât să iasă. Imagistica curentă de emisie (cum ar fi microscopul electronic cu emisie de câmp) formată din energia de lucru poate fi utilizată pentru a studia materialul eșantionului. Este imaginea prin detectarea curentului tunel de pe suprafața probei, astfel încât să se studieze suprafața probei.
principiu
Microscopul de scanare cu tunel este un nou tip de dispozitiv microscopic pentru a distinge morfologia de suprafață a solidelor prin detectarea curentului de tunel al electronilor din atomii de pe suprafața solidă, conform principiului efectului de tunel din mecanica cuantică.
Datorită efectului de tunel al electronilor, electronii din metal nu sunt complet limitați în limita suprafeței, adică densitatea electronilor nu scade brusc la zero la limita suprafeței, ci se descompune exponențial în afara suprafeței; lungimea dezintegrarii este de aproximativ 1 nm, care este o măsură a barierei de suprafață pentru ca electronii să scape. Dacă două metale sunt foarte aproape unul de celălalt, norii lor de electroni se pot suprapune; dacă se aplică o tensiune mică între cele două metale, se poate observa un curent electric (numit curent de tunel) între ele.
Mod de lucru
Deși configurațiile microscoapelor electronice cu scanare tunel sunt diferite, toate includ următoarele trei părți principale: un sistem mecanic (corp oglindă) care conduce sonda să facă mișcări tridimensionale în raport cu suprafața probei conductoare și este folosit pentru a controlați și monitorizați sonda. Sistemul electronic pentru distanța de la probă și sistemul de afișare pentru conversia datelor măsurate în imagini. Are două moduri de lucru: modul curent constant și modul ridicat constant.
Mod curent constant
Curentul de tunel este controlat și menținut constant printr-un circuit electronic de feedback. Apoi sistemul computerizat controlează vârful acului pentru a scana suprafața probei, adică pentru a face vârful acului să se miște bidimensional de-a lungul direcțiilor x și y. Deoarece curentul tunelului trebuie controlat pentru a fi constant, înălțimea locală dintre vârful acului și suprafața probei va rămâne, de asemenea, constantă, astfel încât vârful acului va efectua aceleași urcușuri și coborâșuri cu urcurile și coborâșurile suprafeței probei și informațiile de înălțime vor fi reflectate în mod corespunzător. ieși. Adică, microscopul electronic cu scanare tunelă obține informațiile tridimensionale ale suprafeței probei. Această metodă de lucru obține informații complete despre imagini, imagini microscopice de înaltă calitate și este utilizată pe scară largă.
Mod înălțime constantă
Păstrați înălțimea absolută a vârfului acului constantă în timpul procesului de scanare a probei; atunci distanța locală dintre vârful acului și suprafața probei se va modifica și dimensiunea curentului de tunel I se va modifica în consecință; modificarea curentului de tunel I este înregistrată de computer și convertită în Semnalul imaginii este afișat, adică se obține o micrografie cu microscop electronic cu scanare tunel. Acest mod de lucru este potrivit numai pentru mostre cu suprafețe relativ plane și componente individuale.
