Εισαγωγή στην Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης Σήραγγας
Εισαγωγή
Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης είναι πολύ χρήσιμο για την παρατήρηση της συνολικής δομής της ουσίας, αλλά είναι πιο δύσκολο στην ανάλυση της δομής της επιφάνειας, επειδή το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης λαμβάνει πληροφορίες μέσω του ηλεκτρισμού υψηλής ενέργειας μέσω του δείγματος, αντανακλώντας την ουσία του δείγματος . εσωτερικές πληροφορίες. Αν και το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) μπορεί να αποκαλύψει ορισμένες συνθήκες επιφάνειας, καθώς τα προσπίπτοντα ηλεκτρόνια έχουν πάντα μια συγκεκριμένη ενέργεια και θα διεισδύσουν στο δείγμα, η λεγόμενη «επιφάνεια» που αναλύεται βρίσκεται πάντα σε ένα ορισμένο βάθος και ο ρυθμός διάσπασης είναι επίσης επηρεάζεται πολύ. όριο. Αν και το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο εκπομπής πεδίου (FEM) και το μικροσκόπιο ιόντων πεδίου (FIM) μπορούν να χρησιμοποιηθούν καλά για επιφανειακή έρευνα, το δείγμα πρέπει να είναι ειδικά προετοιμασμένο και μπορεί να τοποθετηθεί μόνο σε ένα πολύ λεπτό άκρο βελόνας και το δείγμα πρέπει επίσης να αντέχει ηλεκτρικά πεδία υψηλής έντασης, ώστε να περιορίζει το πεδίο εφαρμογής του.
Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας (STM) λειτουργεί με εντελώς διαφορετική αρχή, δεν λαμβάνει πληροφορίες σχετικά με την ουσία του δείγματος ενεργώντας στο δείγμα με δέσμη ηλεκτρονίων (όπως ηλεκτρονικά μικροσκόπια μετάδοσης και σάρωσης), ούτε χρησιμοποιεί υψηλή ηλεκτρικό πεδίο για να κάνει τα ηλεκτρόνια στο δείγμα να κερδίζουν περισσότερο από να βγαίνουν Η απεικόνιση ρεύματος εκπομπής (όπως το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο εκπομπής πεδίου) που σχηματίζεται από την ενέργεια της εργασίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη του υλικού του δείγματος. Απεικονίζεται ανιχνεύοντας το ρεύμα της σήραγγας στην επιφάνεια του δείγματος, έτσι ώστε να μελετηθεί η επιφάνεια του δείγματος.
αρχή
Το μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας είναι ένας νέος τύπος μικροσκοπικής συσκευής για τη διάκριση της επιφανειακής μορφολογίας των στερεών ανιχνεύοντας το ρεύμα σήραγγας των ηλεκτρονίων σε άτομα στη στερεά επιφάνεια σύμφωνα με την αρχή του φαινομένου σήραγγας στην κβαντική μηχανική.
Λόγω της επίδρασης σήραγγας των ηλεκτρονίων, τα ηλεκτρόνια στο μέταλλο δεν περιορίζονται πλήρως εντός του επιφανειακού ορίου, δηλαδή, η πυκνότητα των ηλεκτρονίων δεν πέφτει ξαφνικά στο μηδέν στο όριο της επιφάνειας, αλλά διασπάται εκθετικά έξω από την επιφάνεια. το μήκος διάσπασης είναι περίπου 1 nm, που είναι ένα μέτρο του επιφανειακού φραγμού για τη διαφυγή των ηλεκτρονίων. Εάν δύο μέταλλα είναι πολύ κοντά το ένα στο άλλο, τα νέφη ηλεκτρονίων τους μπορεί να επικαλύπτονται. Εάν εφαρμοστεί μικρή τάση μεταξύ των δύο μετάλλων, μπορεί να παρατηρηθεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα (που ονομάζεται ρεύμα σήραγγας) μεταξύ τους.
Τρόπος εργασίας
Αν και οι διαμορφώσεις των ηλεκτρονικών μικροσκοπίων σάρωσης σήραγγας είναι διαφορετικές, περιλαμβάνουν όλα τα ακόλουθα τρία κύρια μέρη: ένα μηχανικό σύστημα (σώμα καθρέφτη) που οδηγεί τον ανιχνευτή να κάνει τρισδιάστατες κινήσεις σε σχέση με την επιφάνεια του αγώγιμου δείγματος και χρησιμοποιείται για έλεγχος και παρακολούθηση του καθετήρα. Το ηλεκτρονικό σύστημα για την απόσταση από το δείγμα και το σύστημα απεικόνισης για τη μετατροπή των δεδομένων μέτρησης σε εικόνες. Διαθέτει δύο τρόπους λειτουργίας: λειτουργία σταθερού ρεύματος και σταθερή υψηλή λειτουργία.
Λειτουργία σταθερού ρεύματος
Το ρεύμα της σήραγγας ελέγχεται και διατηρείται σταθερό από ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα ανάδρασης. Στη συνέχεια, το σύστημα υπολογιστή ελέγχει το άκρο της βελόνας για σάρωση στην επιφάνεια του δείγματος, δηλαδή για να κάνει το άκρο της βελόνας να κινείται δισδιάστατα κατά μήκος των κατευθύνσεων x και y. Δεδομένου ότι το ρεύμα της σήραγγας πρέπει να ελέγχεται ώστε να είναι σταθερό, το τοπικό ύψος μεταξύ του άκρου της βελόνας και της επιφάνειας του δείγματος θα παραμείνει επίσης σταθερό, έτσι το άκρο της βελόνας θα εκτελεί τα ίδια σκαμπανεβάσματα με τα πάνω και τα κάτω της επιφάνειας του δείγματος και οι πληροφορίες ύψους θα αντικατοπτρίζονται ανάλογα. βγαίνω έξω. Δηλαδή, το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας λαμβάνει τις τρισδιάστατες πληροφορίες της επιφάνειας του δείγματος. Αυτή η μέθοδος εργασίας λαμβάνει ολοκληρωμένες πληροφορίες εικόνας, μικροσκοπικές εικόνες υψηλής ποιότητας και χρησιμοποιείται ευρέως.
Λειτουργία σταθερού ύψους
Διατηρήστε σταθερό το απόλυτο ύψος του άκρου της βελόνας κατά τη διαδικασία σάρωσης του δείγματος. τότε η τοπική απόσταση μεταξύ του άκρου της βελόνας και της επιφάνειας του δείγματος θα αλλάξει και το μέγεθος του ρεύματος της σήραγγας I θα αλλάξει επίσης ανάλογα. η αλλαγή του ρεύματος της σήραγγας Ι καταγράφεται από τον υπολογιστή και μετατρέπεται σε Εμφανίζεται το σήμα εικόνας, δηλαδή λαμβάνεται μια μικρογραφία ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας. Αυτός ο τρόπος εργασίας είναι κατάλληλος μόνο για δείγματα με σχετικά επίπεδες επιφάνειες και μεμονωμένα εξαρτήματα.
εφαρμογή
Η αρχή του μικροσκοπίου σήραγγας είναι να χρησιμοποιεί έξυπνα το φυσικό αποτέλεσμα σήραγγας και το ρεύμα σήραγγας. Υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός «ελεύθερων» ηλεκτρονίων στο μεταλλικό σώμα και η κατανομή ενέργειας αυτών των «ελεύθερων» ηλεκτρονίων στο μεταλλικό σώμα συγκεντρώνεται κοντά στο επίπεδο Fermi και υπάρχει ένα φράγμα δυναμικού με ενέργεια υψηλότερη από το επίπεδο Fermi στο το μεταλλικό όριο. Επομένως, από την προοπτική της κλασικής φυσικής, τα «ελεύθερα» ηλεκτρόνια σε ένα μέταλλο, μόνο εκείνα τα ηλεκτρόνια των οποίων η ενέργεια είναι υψηλότερη από το φράγμα των συνόρων, μπορούν να διαφύγουν από το εσωτερικό του μετάλλου προς τα έξω. Ωστόσο, σύμφωνα με τις αρχές της κβαντικής μηχανικής, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στα μέταλλα έχουν επίσης κυματικές ιδιότητες και όταν αυτό το κύμα ηλεκτρονίων διαδίδεται στο μεταλλικό όριο και συναντήσει ένα επιφανειακό φράγμα, μέρος του θα μεταδοθεί. Δηλαδή, μερικά ηλεκτρόνια με ενέργεια χαμηλότερη από το φράγμα δυναμικού της επιφάνειας μπορούν να διαπεράσουν το φράγμα δυναμικού της μεταλλικής επιφάνειας και να σχηματίσουν ένα «νέφος ηλεκτρονίων» στη μεταλλική επιφάνεια. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σήραγγα. Έτσι, όταν δύο μέταλλα βρίσκονται σε κοντινή απόσταση (λιγότερο από μερικά νανόμετρα), τα νέφη ηλεκτρονίων των δύο μετάλλων θα διαπεράσουν το ένα το άλλο. Όταν εφαρμόζεται μια κατάλληλη τάση, ακόμη και αν τα δύο μέταλλα δεν είναι πραγματικά σε επαφή, ένα ρεύμα θα ρέει από το ένα μέταλλο στο άλλο. Αυτό το ρεύμα ονομάζεται ρεύμα σήραγγας.
Το ρεύμα και η αντίσταση της σήραγγας είναι πολύ ευαίσθητα στις αλλαγές στο διάκενο της σήραγγας. Ακόμη και μια αλλαγή κατά 0,01nm στο διάκενο της σήραγγας μπορεί να προκαλέσει σημαντικές αλλαγές στο ρεύμα της σήραγγας.
Εάν χρησιμοποιείται ένας πολύ αιχμηρός καθετήρας (όπως μια βελόνα βολφραμίου) για τη σάρωση παράλληλη προς την επιφάνεια στις κατευθύνσεις x και y σε ύψος μερικών δέκατων νανόμετρων μακριά από την λεία επιφάνεια του δείγματος, καθώς κάθε άτομο έχει ένα ορισμένο μέγεθος, το μεσαίο διάκενο της σήραγγας θα ποικίλλει ανάλογα με τα x και y, και το ρεύμα της σήραγγας που ρέει μέσω του καθετήρα θα είναι επίσης διαφορετικό. Ακόμη και διακυμάνσεις ύψους μερικών εκατοστών του νανομέτρου μπορούν να αντικατοπτρίζονται στα ρεύματα σήραγγας. Ένας καταγραφέας συγχρονισμένος με τον ανιχνευτή σάρωσης χρησιμοποιείται για την καταγραφή των αλλαγών του ρεύματος σήραγγας και μπορεί να ληφθεί μια εικόνα ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας με ανάλυση μερικών εκατοστών νανομέτρων.
