Inleiding tot Scanning Tunneling Elektronenmicroscopie
Invoering
De transmissie-elektronenmicroscoop is erg handig bij het observeren van de algehele structuur van de substantie, maar het is moeilijker bij de analyse van de oppervlaktestructuur, omdat de transmissie-elektronenmicroscoop informatie verkrijgt via de hoogenergetische elektriciteit door het monster, die de monstersubstantie reflecteert . voorkennis. Hoewel scanning-elektronenmicroscopie (SEM) bepaalde oppervlaktecondities kan onthullen, aangezien de invallende elektronen altijd een bepaalde energie hebben en in het monster zullen doordringen, bevindt het zogenaamde "oppervlak" dat wordt geanalyseerd zich altijd op een bepaalde diepte en is de splitsingssnelheid ook sterk beïnvloed. begrenzing. Hoewel Field Emission Electron Microscope (FEM) en Field Ion Microscope (FIM) goed kunnen worden gebruikt voor oppervlakteonderzoek, moet het sample speciaal worden geprepareerd en mag het alleen op een zeer dunne naaldpunt worden geplaatst, en moet het sample ook bestand zijn tegen elektrische velden met hoge intensiteit, zodat het zijn toepassingsgebied beperkt.
Scanning Tunneling Electron Microscope (STM) werkt volgens een heel ander principe, het verkrijgt geen informatie over de substantie van het monster door met een elektronenstraal op het monster in te werken (zoals transmissie- en scanning elektronenmicroscopen), noch gebruikt het een hoge elektrisch veld om de elektronen in het monster meer te laten winnen dan eruit te laten komen. De emissiestroombeeldvorming (zoals een veldemissie-elektronenmicroscoop) gevormd door de arbeidsenergie kan worden gebruikt om het monstermateriaal te bestuderen. Het wordt afgebeeld door de tunnelstroom op het oppervlak van het monster te detecteren, om het oppervlak van het monster te bestuderen.
beginsel
Scanning tunneling microscoop is een nieuw type microscopisch apparaat om de oppervlaktemorfologie van vaste stoffen te onderscheiden door de tunnelstroom van elektronen in atomen op het vaste oppervlak te detecteren volgens het principe van tunneleffect in de kwantummechanica.
Vanwege het tunneleffect van elektronen zijn de elektronen in het metaal niet volledig opgesloten binnen de oppervlaktegrens, dat wil zeggen dat de dichtheid van elektronen niet plotseling tot nul daalt aan de oppervlaktegrens, maar exponentieel vervalt buiten het oppervlak; de vervallengte is ongeveer 1 nm, wat een maat is voor de oppervlaktebarrière voor elektronen om te ontsnappen. Als twee metalen heel dicht bij elkaar staan, kunnen hun elektronenwolken elkaar overlappen; als er een kleine spanning tussen de twee metalen wordt aangelegd, kan er een elektrische stroom (tunnelstroom genoemd) tussen hen worden waargenomen.
Manier van werken
Hoewel de configuraties van scanning tunneling elektronenmicroscopen verschillend zijn, bevatten ze allemaal de volgende drie hoofdonderdelen: een mechanisch systeem (spiegellichaam) dat de sonde aandrijft om driedimensionale bewegingen te maken ten opzichte van het oppervlak van het geleidende monster, en wordt gebruikt om controleer en bewaak de sonde. Het elektronische systeem voor de afstand tot het monster en het weergavesysteem voor het omzetten van de gemeten gegevens in afbeeldingen. Het heeft twee werkmodi: constante stroommodus en constante hoge modus.
Constante stroommodus
De tunnelstroom wordt gecontroleerd en constant gehouden door een elektronisch feedbackcircuit. Vervolgens bestuurt het computersysteem de naaldpunt om het monsteroppervlak te scannen, dat wil zeggen om de naaldpunt tweedimensionaal langs de x- en y-richtingen te laten bewegen. Aangezien de tunnelstroom moet worden gecontroleerd om constant te zijn, zal de lokale hoogte tussen de naaldpunt en het monsteroppervlak ook constant blijven, zodat de naaldpunt dezelfde ups en downs zal uitvoeren met de ups en downs van het monsteroppervlak, en de hoogte-informatie wordt dienovereenkomstig weergegeven. naar buiten komen. Dat wil zeggen, de scanning tunneling elektronenmicroscoop verkrijgt de driedimensionale informatie van het monsteroppervlak. Deze werkwijze verkrijgt uitgebreide beeldinformatie, microscopische beelden van hoge kwaliteit en wordt veel gebruikt.
Constante hoogtemodus
Houd de absolute hoogte van de naaldpunt constant tijdens het scanproces van het monster; dan verandert de lokale afstand tussen de naaldpunt en het monsteroppervlak en verandert ook de grootte van de tunnelstroom I dienovereenkomstig; de verandering van de tunnelstroom I wordt geregistreerd door de computer en omgezet in Het beeldsignaal wordt weergegeven, dat wil zeggen, er wordt een scanning tunneling elektronenmicroscoopfoto verkregen. Deze manier van werken is alleen geschikt voor monsters met relatief vlakke oppervlakken en enkelvoudige componenten.
sollicitatie
Het principe van de tunnelmicroscoop is om slim gebruik te maken van het fysieke tunneleffect en de tunnelstroom. Er zijn een groot aantal "vrije" elektronen in het metalen lichaam en de energieverdeling van deze "vrije" elektronen in het metalen lichaam is geconcentreerd nabij het Fermi-niveau, en er is een potentiële barrière met energie hoger dan het Fermi-niveau op de metalen grens. Daarom kunnen, vanuit het perspectief van de klassieke fysica, "vrije" elektronen in een metaal, alleen die elektronen waarvan de energie hoger is dan de grensbarrière, van de binnenkant van het metaal naar buiten ontsnappen. Volgens de principes van de kwantummechanica hebben vrije elektronen in metalen echter ook golfeigenschappen, en wanneer deze elektronengolf zich voortplant naar de metaalgrens en een oppervlaktebarrière tegenkomt, zal een deel ervan worden doorgelaten. Dat wil zeggen, sommige elektronen met energie lager dan de oppervlaktepotentiaalbarrière kunnen de metalen oppervlaktepotentiaalbarrière binnendringen en een "elektronenwolk" vormen op het metalen oppervlak. Dit effect wordt tunneling genoemd. Dus wanneer twee metalen dicht bij elkaar zijn (minder dan een paar nanometer), zullen de elektronenwolken van de twee metalen elkaar doordringen. Wanneer een geschikte spanning wordt toegepast, zelfs als de twee metalen niet echt in contact zijn, zal er een stroom van het ene metaal naar het andere vloeien. Deze stroom wordt tunnelstroom genoemd.
Tunnelstroom en tunnelweerstand zijn erg gevoelig voor veranderingen in de tunnelopening. Zelfs een verandering van 0.01nm in de tunnelopening kan significante veranderingen in de tunnelstroom veroorzaken.
Als een zeer scherpe sonde (zoals een wolfraamnaald) wordt gebruikt om evenwijdig aan het oppervlak in de x- en y-richting te scannen op een hoogte van enkele tienden van nanometers verwijderd van het gladde monsteroppervlak, aangezien elk atoom een bepaalde grootte heeft, De middelste tunnelopening varieert met x en y, en de tunnelstroom die door de sonde vloeit, zal ook verschillen. Zelfs hoogtevariaties van enkele honderdsten van een nanometer kunnen worden weerspiegeld in tunnelstromen. Een met de scansonde gesynchroniseerde recorder wordt gebruikt om de veranderingen van de tunnelingstroom vast te leggen, en een scanning tunneling elektronenmicroscoopbeeld met een resolutie van enkele honderdsten van nanometer kan worden verkregen.
