Skannaustunnelointielektronimikroskooppisovellukset
Tunnelointimikroskoopin periaate on käyttää fiksusti fyysistä tunnelointivaikutusta ja tunnelointivirtaa. Metallikappaleessa on suuri määrä "vapaita" elektroneja, ja näiden "vapaiden" elektronien energiajakauma metallikappaleessa on keskittynyt lähelle Fermi-tasoa, ja siinä on potentiaalieste, jonka energia on korkeampi kuin Fermi-taso. metallin raja. Siksi klassisen fysiikan näkökulmasta metallissa olevat "vapaat" elektronit, vain ne elektronit, joiden energia on rajaestoa suurempi, voivat paeta metallin sisältä ulos. Kvanttimekaniikan periaatteiden mukaan metalleissa olevilla vapailla elektroneilla on kuitenkin myös aaltoominaisuuksia, ja kun tämä elektroniaalto etenee metallin rajalle ja kohtaa pintaesteen, osa siitä siirtyy. Toisin sanoen jotkut elektronit, joiden energia on pienempi kuin pintapotentiaalisulku, voivat tunkeutua metallipinnan potentiaaliesteen läpi ja muodostaa "elektronipilven" metallipinnalle. Tätä vaikutusta kutsutaan tunneloimiseksi. Joten kun kaksi metallia on lähellä (alle muutama nanometri), näiden kahden metallin elektronipilvet tunkeutuvat toisiinsa. Kun sopivaa jännitettä käytetään, vaikka nämä kaksi metallia eivät todellakaan olisi kosketuksissa, virta kulkee metallista toiseen. Tätä virtaa kutsutaan tunnelivirraksi.
Tunnelivirta ja tunnelin resistanssi ovat erittäin herkkiä tunneliraon muutoksille. Jopa 0,01 nm:n muutos tunnelivälissä voi aiheuttaa merkittäviä muutoksia tunnelin virrassa.
Jos erittäin terävällä koettimella (kuten volframineulalla) skannataan yhdensuuntaisesti pinnan kanssa x- ja y-suunnissa muutaman kymmenesosan nanometrin korkeudella tasaisesta näytepinnasta, koska jokaisella atomilla on tietty koko, Keskimmäinen tunnelirako vaihtelee x:n ja y:n mukaan, ja myös anturin läpi kulkeva tunnelivirta on erilainen. Jopa muutaman nanometrin sadasosan korkeusvaihtelut voivat heijastua tunnelointivirroihin. Pyyhkäisyanturin kanssa synkronoidulla tallentimella tallennetaan tunnelointivirran muutokset ja saadaan skannaava tunnelointielektronimikroskooppikuva muutaman sadasosan nanometrin resoluutiolla.
