Introduzione alla microscopia elettronica a effetto tunnel
introduzione
Il microscopio elettronico a trasmissione è molto utile per osservare la struttura complessiva della sostanza, ma è più difficile nell'analisi della struttura superficiale, perché il microscopio elettronico a trasmissione ottiene informazioni attraverso l'elettricità ad alta energia attraverso il campione, riflettendo la sostanza del campione . dentro l'informazione. Sebbene la microscopia elettronica a scansione (SEM) possa rivelare determinate condizioni della superficie, poiché gli elettroni incidenti hanno sempre una certa energia e penetreranno nel campione, la cosiddetta "superficie" analizzata è sempre a una certa profondità, e anche la velocità di divisione è fortemente influenzato. limite. Sebbene il microscopio elettronico a emissione di campo (FEM) e il microscopio a ioni di campo (FIM) possano essere ben utilizzati per la ricerca sulla superficie, il campione deve essere preparato in modo speciale e può essere posizionato solo sulla punta di un ago molto sottile e il campione deve anche essere in grado di resistere campi elettrici ad alta intensità, in modo da limitarne l'ambito di applicazione.
Il microscopio elettronico a effetto tunnel (STM) funziona secondo un principio completamente diverso, non ottiene informazioni sulla sostanza del campione agendo sul campione con un fascio di elettroni (come i microscopi elettronici a trasmissione e a scansione), né utilizza un elevato campo elettrico per fare in modo che gli elettroni nel campione guadagnino più di quanto escano L'imaging della corrente di emissione (come il microscopio elettronico a emissione di campo) formato dall'energia del lavoro può essere utilizzato per studiare il materiale del campione. Viene ripreso rilevando la corrente di tunnel sulla superficie del campione, in modo da studiare la superficie del campione.
principio
Il microscopio a tunneling a scansione è un nuovo tipo di dispositivo microscopico per distinguere la morfologia superficiale dei solidi rilevando la corrente di tunneling degli elettroni negli atomi sulla superficie solida secondo il principio dell'effetto tunneling nella meccanica quantistica.
A causa dell'effetto tunnel degli elettroni, gli elettroni nel metallo non sono completamente confinati all'interno del confine della superficie, cioè la densità degli elettroni non scende improvvisamente a zero al confine della superficie, ma decade esponenzialmente all'esterno della superficie; la lunghezza del decadimento è di circa 1 nm, che è una misura della barriera superficiale per la fuga degli elettroni. Se due metalli sono molto vicini tra loro, le loro nuvole di elettroni possono sovrapporsi; se viene applicata una piccola tensione tra i due metalli, si può osservare una corrente elettrica (chiamata corrente di tunneling) tra di loro.
Modo di lavorare
Sebbene le configurazioni dei microscopi elettronici a effetto tunnel a scansione siano diverse, includono tutte le seguenti tre parti principali: un sistema meccanico (corpo dello specchio) che guida la sonda a compiere movimenti tridimensionali rispetto alla superficie del campione conduttivo e viene utilizzato per controllare e monitorare la sonda. Il sistema elettronico per la distanza dal campione e il sistema di visualizzazione per convertire i dati misurati in immagini. Ha due modalità di lavoro: modalità corrente costante e modalità alta costante.
Modalità corrente costante
La corrente di tunneling è controllata e mantenuta costante da un circuito elettronico di retroazione. Quindi il sistema informatico controlla la punta dell'ago per eseguire la scansione sulla superficie del campione, ovvero per far muovere la punta dell'ago bidimensionalmente lungo le direzioni x e y. Poiché la corrente del tunnel deve essere controllata per essere costante, anche l'altezza locale tra la punta dell'ago e la superficie del campione rimarrà costante, quindi la punta dell'ago eseguirà gli stessi saliscendi con i saliscendi della superficie del campione, e le informazioni sull'altezza si rifletteranno di conseguenza. uscire. Vale a dire, il microscopio elettronico a effetto tunnel ottiene l'informazione tridimensionale della superficie del campione. Questo metodo di lavoro ottiene informazioni complete sull'immagine, immagini microscopiche di alta qualità ed è ampiamente utilizzato.
Modalità altezza costante
Mantenere costante l'altezza assoluta della punta dell'ago durante il processo di scansione del campione; quindi la distanza locale tra la punta dell'ago e la superficie del campione cambierà e anche la dimensione della corrente di tunnel I cambierà di conseguenza; la variazione della corrente di tunnel I viene registrata dal computer e convertita in Viene visualizzato il segnale dell'immagine, ovvero si ottiene una micrografia al microscopio elettronico a effetto tunnel a scansione. Questo modo di lavorare è adatto solo per campioni con superfici relativamente piatte e singoli componenti.
applicazione
Il principio del microscopio a effetto tunnel consiste nell'utilizzare in modo intelligente l'effetto tunnel fisico e la corrente di tunneling. C'è un gran numero di elettroni "liberi" nel corpo metallico e la distribuzione di energia di questi elettroni "liberi" nel corpo metallico è concentrata vicino al livello di Fermi, e c'è una potenziale barriera con energia superiore al livello di Fermi su il confine metallico. Pertanto, dal punto di vista della fisica classica, gli elettroni "liberi" in un metallo, solo quegli elettroni la cui energia è superiore alla barriera di confine, possono fuoriuscire dall'interno del metallo verso l'esterno. Tuttavia, secondo i principi della meccanica quantistica, anche gli elettroni liberi nei metalli hanno proprietà ondulatorie e quando questa onda di elettroni si propaga al confine del metallo e incontra una barriera superficiale, parte di essa verrà trasmessa. Vale a dire, alcuni elettroni con energia inferiore alla barriera di potenziale superficiale possono penetrare la barriera di potenziale superficiale del metallo e formare una "nuvola di elettroni" sulla superficie metallica. Questo effetto è chiamato tunneling. Quindi, quando due metalli sono molto vicini (meno di pochi nanometri), le nuvole di elettroni dei due metalli si compenetreranno a vicenda. Quando viene applicata una tensione appropriata, anche se i due metalli non sono realmente in contatto, una corrente fluirà da un metallo all'altro. Questa corrente è chiamata corrente di tunnel.
La corrente e la resistenza del tunnel sono molto sensibili ai cambiamenti nel gap del tunnel. Anche un cambiamento di 0.01nm nel gap del tunnel può causare cambiamenti significativi nella corrente del tunnel.
Se si utilizza una sonda molto affilata (come un ago di tungsteno) per scansionare parallelamente alla superficie nelle direzioni x e y ad un'altezza di pochi decimi di nanometri dalla superficie liscia del campione, poiché ogni atomo ha una certa dimensione, Il gap del tunnel centrale varierà con x e y, e anche la corrente del tunnel che scorre attraverso la sonda sarà diversa. Anche variazioni di altezza di pochi centesimi di nanometro possono riflettersi nelle correnti di tunneling. Un registratore sincronizzato con la sonda di scansione viene utilizzato per registrare le variazioni della corrente di tunneling e si può ottenere un'immagine al microscopio elettronico a scansione di tunneling con una risoluzione di pochi centesimi di nanometri.
