Skaneeriva tunneldava elektronmikroskoopia põhimõte
Skaneeriv tunnelmikroskoop (STM) on instrument, mis kasutab kvantteoorias tunneldamisefekti materjalide pinnastruktuuri tuvastamiseks. See kasutab aatomitevahelise elektronide kvanttunneliefekti, et muuta aatomite paigutus materjalide pinnal pilditeabeks. kohta.
Sissejuhatus
Transmissioonelektronmikroskoop on väga kasulik aine üldstruktuuri vaatlemisel, kuid keerulisem on see pinnastruktuuri analüüsimisel, kuna transmissioonelektronmikroskoop saab informatsiooni läbi proovi läbiva suure energiaga elektri, peegeldades prooviainet. . siseteave. Kuigi skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) abil saab tuvastada teatud pinnatingimusi, on langevatel elektronidel alati teatud energia ja nad tungivad proovi sisse, on analüüsitav nn "pind" alati teatud sügavusel ja ka poolituskiirus. suuresti mõjutatud. piir. Kuigi väljaemissioonielektronmikroskoopi (FEM) ja Field Ion Microscope (FIM) saab pinnauuringuteks hästi kasutada, peab proov olema spetsiaalselt ette valmistatud ja seda saab asetada ainult väga õhukesele nõela otsale ning proov peab ka vastu pidama. suure intensiivsusega elektriväljad, nii et see piirab selle rakendusala.
Skaneeriv tunnelielektronmikroskoop (STM) töötab hoopis teisel põhimõttel, see ei saa proovi aine kohta teavet proovile elektronkiirega (näiteks ülekande- ja skaneerivad elektronmikroskoobid) toimides, samuti ei kasutata kõrget elektriväli, et proovis olevad elektronid saaksid rohkem kui välja tuleks. Proovimaterjali uurimiseks saab kasutada tööenergiast moodustatud emissioonivoolu kujutist (näiteks väljaemissiooni elektronmikroskoopi). Seda kujutatakse proovi pinnal tunnelivoolu tuvastamisega, et uurida proovi pinda.
põhimõte
Skaneeriv tunnelmikroskoop on uut tüüpi mikroskoopiline seade tahkete ainete pinnamorfoloogia eristamiseks, tuvastades elektronide tunnelivoolu tahke pinna aatomites vastavalt kvantmehaanika tunneliefekti põhimõttele.
Elektronide tunneldava efekti tõttu ei ole metallis elektronid täielikult pinnapiiris kinni, see tähendab, et elektronide tihedus ei lange pinnapiiril ootamatult nulli, vaid laguneb eksponentsiaalselt väljaspool pinda; lagunemispikkus on umbes 1 nm, mis on elektronide põgenemise pinnabarjääri mõõt. Kui kaks metalli on üksteisele väga lähedal, võivad nende elektronpilved kattuda; kui kahe metalli vahele rakendatakse väikest pinget, võib nende vahel täheldada elektrivoolu (nn tunnelvoolu).
Töötamise viis
Kuigi skaneerivate tunnelelektronmikroskoopide konfiguratsioonid on erinevad, sisaldavad need kõik järgmist kolme põhiosa: mehaaniline süsteem (peegelkeha), mis juhib sondi juhtiva proovi pinna suhtes kolmemõõtmelisi liigutusi tegema ja mida kasutatakse sondi juhtida ja jälgida. Elektrooniline süsteem kauguse määramiseks proovist ja kuvasüsteem mõõdetud andmete kujutisteks teisendamiseks. Sellel on kaks töörežiimi: konstantse voolu režiim ja pidev kõrge režiim.
Püsivoolu režiim
Tunnelivoolu juhib ja hoiab konstantsena elektrooniline tagasisideahel. Seejärel juhib arvutisüsteem nõela otsa, et skaneerida proovi pinnal, st panna nõela ots liikuma kahemõõtmeliselt piki x ja y suunda. Kuna tunneli voolu on vaja konstantseks reguleerida, jääb ka nõela otsa ja proovi pinna vaheline lokaalne kõrgus konstantseks, nii et nõela ots sooritab samad tõusud ja langused proovipinna tõusude ja langustega ning kõrgusteave kajastub vastavalt. tule välja. See tähendab, et skaneeriv tunnelelektronmikroskoop hangib proovi pinna kolmemõõtmelise teabe. Selle töömeetodiga saadakse põhjalik pilditeave, kvaliteetsed mikroskoopilised kujutised ja seda kasutatakse laialdaselt.
Konstantse kõrguse režiim
Hoidke proovi skaneerimise ajal nõela otsa absoluutne kõrgus konstantsena; siis muutub nõela otsa ja proovipinna vaheline lokaalne kaugus ning vastavalt muutub ka tunnelivoolu I suurus; tunnelivoolu I muutuse salvestab arvuti ja teisendab Kujutise signaal, ehk saadakse skaneeriv tunnelelektronmikroskoobi mikrograaf. Selline tööviis sobib ainult suhteliselt tasase pinnaga ja üksikute komponentidega proovide jaoks.
