Introducció a la microscòpia electrònica de túnel d'escaneig
Introducció
El microscopi electrònic de transmissió és molt útil per observar l'estructura global de la substància, però és més difícil en l'anàlisi de l'estructura de la superfície, perquè el microscopi electrònic de transmissió obté informació a través de l'electricitat d'alta energia a través de la mostra, reflectint la substància de la mostra. . informació privilegiada. Tot i que la microscòpia electrònica d'escaneig (SEM) pot revelar certes condicions superficials, ja que els electrons incidents sempre tenen una certa energia i penetraran a la mostra, l'anomenada "superfície" analitzada sempre es troba a una certa profunditat i la velocitat de divisió també és molt afectat. límit. Tot i que el microscopi electrònic d'emissió de camp (FEM) i el microscopi d'ions de camp (FIM) es poden utilitzar bé per a la investigació de superfícies, la mostra s'ha de preparar especialment i només es pot col·locar en una punta d'agulla molt prima, i la mostra també ha de ser capaç de suportar. camps elèctrics d'alta intensitat, de manera que limita el seu àmbit d'aplicació.
El microscopi electrònic de túnel d'escaneig (STM) funciona amb un principi completament diferent, no obté informació sobre la substància de la mostra actuant sobre la mostra amb un feix d'electrons (com ara microscopis electrònics de transmissió i exploració), ni utilitza un camp elèctric per fer que els electrons de la mostra guanyin més que surtin La imatge de corrent d'emissió (com ara el microscopi electrònic d'emissió de camp) formada per l'energia del treball es pot utilitzar per estudiar el material de la mostra. S'imatge detectant el corrent del túnel a la superfície de la mostra, per estudiar la superfície de la mostra.
principi
El microscopi de túnel d'escaneig és un nou tipus de dispositiu microscòpic per distingir la morfologia superficial dels sòlids mitjançant la detecció del corrent de túnel dels electrons dels àtoms a la superfície sòlida d'acord amb el principi de l'efecte túnel de la mecànica quàntica.
A causa de l'efecte de túnel dels electrons, els electrons del metall no estan completament confinats dins del límit de la superfície, és a dir, la densitat dels electrons no cau sobtadament a zero al límit de la superfície, sinó que decau exponencialment fora de la superfície; la longitud de desintegració és d'uns 1 nm, que és una mesura de la barrera superficial perquè els electrons escapen. Si dos metalls estan molt a prop l'un de l'altre, els seus núvols d'electrons es poden solapar; si s'aplica una petita tensió entre els dos metalls, es pot observar un corrent elèctric (anomenat corrent de túnel) entre ells.
Manera de treballar
Tot i que les configuracions dels microscopis electrònics d'escaneig de túnel són diferents, totes inclouen les tres parts principals següents: un sistema mecànic (cos del mirall) que impulsa la sonda per fer moviments tridimensionals en relació a la superfície de la mostra conductora i s'utilitza per controlar i supervisar la sonda. El sistema electrònic per a la distància de la mostra i el sistema de visualització per convertir les dades mesurades en imatges. Té dos modes de treball: mode de corrent constant i mode alt constant.
Mode de corrent constant
El corrent de túnel es controla i es manté constant mitjançant un circuit de retroalimentació electrònica. A continuació, el sistema informàtic controla la punta de l'agulla per escanejar la superfície de la mostra, és a dir, fer que la punta de l'agulla es mogui bidimensionalment al llarg de les direccions x i y. Com que el corrent del túnel s'ha de controlar per ser constant, l'alçada local entre la punta de l'agulla i la superfície de la mostra també es mantindrà constant, de manera que la punta de l'agulla realitzarà els mateixos pujades i baixades amb les pujades i baixades de la superfície de la mostra, i la informació d'alçada es reflectirà en conseqüència. sortir. És a dir, el microscopi electrònic de túnel d'escaneig obté la informació tridimensional de la superfície de la mostra. Aquest mètode de treball obté informació d'imatge completa, imatges microscòpiques d'alta qualitat i s'utilitza àmpliament.
Mode d'alçada constant
Mantingueu constant l'alçada absoluta de la punta de l'agulla durant el procés d'escaneig de la mostra; llavors la distància local entre la punta de l'agulla i la superfície de la mostra canviarà i la mida del corrent del túnel I també canviarà en conseqüència; l'ordinador enregistra el canvi del corrent del túnel I i es converteix en El senyal d'imatge es mostra, és a dir, s'obté un microscopi electrònic d'escaneig de túnel. Aquesta manera de treballar només és adequada per a mostres amb superfícies relativament planes i components individuals.
aplicació
El principi del microscopi de túnel és utilitzar intel·ligentment l'efecte de túnel físic i el corrent de túnel. Hi ha un gran nombre d'electrons "lliures" al cos metàl·lic, i la distribució d'energia d'aquests electrons "lliures" al cos metàl·lic es concentra a prop del nivell de Fermi, i hi ha una barrera potencial amb una energia superior al nivell de Fermi. el límit metàl·lic. Per tant, des de la perspectiva de la física clàssica, els electrons "lliures" en un metall, només aquells electrons l'energia dels quals és superior a la barrera límit, poden escapar de l'interior del metall a l'exterior. Tanmateix, segons els principis de la mecànica quàntica, els electrons lliures dels metalls també tenen propietats ondulatòries, i quan aquesta ona d'electrons es propaga al límit del metall i troba una barrera superficial, part d'ella es transmetrà. És a dir, alguns electrons amb energia inferior a la barrera de potencial superficial poden penetrar la barrera de potencial de superfície metàl·lica i formar un "núvol d'electrons" a la superfície metàl·lica. Aquest efecte s'anomena túnel. Així, quan dos metalls estan molt a prop (menys d'uns pocs nanòmetres), els núvols d'electrons dels dos metalls es penetraran mútuament. Quan s'aplica una tensió adequada, encara que els dos metalls no estiguin realment en contacte, un corrent fluirà d'un metall a un altre. Aquest corrent s'anomena corrent de túnel.
El corrent del túnel i la resistència del túnel són molt sensibles als canvis en la bretxa del túnel. Fins i tot un canvi de 0,01 nm a l'espai del túnel pot provocar canvis significatius en el corrent del túnel.
Si s'utilitza una sonda molt aguda (com una agulla de tungstè) per escanejar paral·lelament a la superfície en les direccions x i y a una alçada d'unes dècimes de nanòmetres de distància de la superfície llisa de la mostra, ja que cada àtom té una mida determinada, El buit del túnel mitjà variarà amb x i y, i el corrent del túnel que flueix per la sonda també serà diferent. Fins i tot les variacions d'alçada d'unes quantes centèsimes de nanòmetre es poden reflectir en els corrents de túnel. S'utilitza un gravador sincronitzat amb la sonda d'escaneig per registrar els canvis del corrent de túnel, i es pot obtenir una imatge de microscopi electrònic de túnel d'escaneig amb una resolució d'unes centèsimes de nanòmetres.
