Scanning Tunneling Elektronenmicroscopie Principe
Scanning Tunneling Microscoop (STM) is een instrument dat het tunneleffect in de kwantumtheorie gebruikt om de oppervlaktestructuur van materialen te detecteren. Het gebruikt het kwantumtunneleffect van elektronen tussen atomen om de rangschikking van atomen op het oppervlak van materialen om te zetten in beeldinformatie. van.
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.
