Pyyhkäisytunnelointielektronimikroskoopin periaate
Pyyhkäisevä tunnelointimikroskooppi (STM) on instrumentti, joka käyttää kvanttiteorian tunnelointivaikutusta materiaalien pintarakenteen havaitsemiseen. Se käyttää elektronien kvanttitunnelointivaikutusta atomien välillä muuntaakseen atomien järjestyksen materiaalien pinnalla kuvainformaatioksi. /.
Johdanto
Transmissioelektronimikroskooppi on erittäin hyödyllinen havainnoimaan aineen kokonaisrakennetta, mutta se on vaikeampaa pintarakenteen analysoinnissa, koska transmissioelektronimikroskooppi saa tietoa näytteen läpi kulkevan korkeaenergisen sähkön kautta heijastaen näyteainetta. . sisäpiiritietoa. Vaikka pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) voidaan paljastaa tietyt pintaolosuhteet, koska saapuvilla elektroneilla on aina tietty energia ja ne tunkeutuvat näytteeseen, analysoitava ns. "pinta" on aina tietyllä syvyydellä, ja myös halkeamisnopeus on vaikuttaa suuresti. raja. Vaikka Field Emission Electron Microscope (FEM) ja Field Ion Microscope (FIM) voidaan hyvin käyttää pintatutkimukseen, näyte on valmistettava erityisesti ja se voidaan asettaa vain erittäin ohueen neulankärkeen, ja näytteen on myös kestettävä korkean intensiteetin sähkökentät, joten se rajoittaa sen soveltamisalaa.
Scanning Tunneling Electron Microscope (STM) toimii täysin eri periaatteella, se ei saa tietoa näytteen aineesta toimimalla näytteeseen elektronisuihkulla (kuten transmissio- ja pyyhkäisyelektronimikroskoopit), eikä se käytä korkeaa sähkökenttä, jotta näytteessä olevat elektronit vahvistuvat enemmän kuin tulevat ulos Työenergian muodostamaa emissiovirtakuvausta (kuten kenttäemissioelektronimikroskooppia) voidaan käyttää näytemateriaalin tutkimiseen. Se kuvataan havaitsemalla tunnelivirta näytteen pinnalla näytteen pinnan tutkimiseksi.
periaate
Pyyhkäisytunnelointimikroskooppi on uudenlainen mikroskooppinen laite, joka erottaa kiinteiden aineiden pinnan morfologian havaitsemalla elektronien tunnelointivirran atomeissa kiinteällä pinnalla kvanttimekaniikan tunnelointivaikutuksen periaatteen mukaisesti.
Elektronien tunnelointivaikutuksesta johtuen metallissa olevat elektronit eivät rajoitu täysin pintarajaan, eli elektronien tiheys ei yhtäkkiä putoa nollaan pinnan rajalla, vaan vaimenee eksponentiaalisesti pinnan ulkopuolella; vaimenemispituus on noin 1 nm, mikä on elektronien karkaamisen pintaesteen mitta. Jos kaksi metallia ovat hyvin lähellä toisiaan, niiden elektronipilvet voivat mennä päällekkäin; jos näiden kahden metallin väliin kohdistetaan pieni jännite, niiden välillä voidaan havaita sähkövirta (kutsutaan tunnelointivirraksi).
Työskentelytapa
Vaikka pyyhkäisytunnelointielektronimikroskooppien konfiguraatiot ovat erilaisia, ne kaikki sisältävät seuraavat kolme pääosaa: mekaaninen järjestelmä (peilirunko), joka käyttää koetinta tekemään kolmiulotteisia liikkeitä johtavan näytteen pintaan nähden ja jota käytetään ohjata ja valvoa anturia. Elektroninen järjestelmä etäisyyden mittaamiseksi näytteestä ja näyttöjärjestelmä mitatun tiedon muuntamiseksi kuviksi. Siinä on kaksi toimintatilaa: vakiovirtatila ja jatkuva korkea tila.
Vakiovirtatila
Tunnelointivirtaa ohjataan ja pidetään vakiona elektronisella takaisinkytkentäpiirillä. Sitten tietokonejärjestelmä ohjaa neulan kärkeä skannaamaan näytepinnalla, eli saamaan neulan kärjen liikkumaan kaksiulotteisesti x- ja y-suunnassa. Koska tunnelin virtaa on säädettävä vakioksi, myös neulan kärjen ja näytteen pinnan välinen paikallinen korkeus pysyy vakiona, joten neulan kärki suorittaa samat nousut ja laskut näytepinnan ylä- ja alamäkien kanssa, ja korkeustiedot näkyvät vastaavasti. tule ulos. Toisin sanoen pyyhkäisytunnelointielektronimikroskooppi saa näytteen pinnan kolmiulotteisen tiedon. Tällä työskentelymenetelmällä saadaan kattavaa kuvainformaatiota, korkealaatuisia mikroskooppisia kuvia, ja sitä käytetään laajasti.
Vakiokorkeustila
Pidä neulan kärjen absoluuttinen korkeus vakiona näytteen skannausprosessin aikana; silloin neulan kärjen ja näytepinnan välinen paikallinen etäisyys muuttuu ja tunnelivirran I koko muuttuu myös vastaavasti; tunnelivirran I muutos tallennetaan tietokoneella ja muunnetaan kuvasignaaliksi, eli saadaan pyyhkäisytunnelielektronimikroskooppimikrokuva. Tämä työskentelytapa soveltuu vain näytteille, joissa on suhteellisen tasaiset pinnat ja yksittäisiä komponentteja.
