Bevezetés a pásztázó alagút-elektronmikroszkópiába
Bevezetés
A transzmissziós elektronmikroszkóp nagyon hasznos az anyag általános szerkezetének megfigyelésében, de nehezebb a felületi szerkezet elemzésében, mivel a transzmissziós elektronmikroszkóp a mintán keresztül jut el a nagyenergiájú elektromosságon keresztül, tükrözve a minta anyagot. . belső információ. Bár a pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) bizonyos felületi viszonyokat fel lehet tárni, mivel a beeső elektronoknak mindig van egy bizonyos energiája, és behatolnak a mintába, a vizsgált ún. "felület" mindig egy bizonyos mélységben van, és a hasadási sebesség is nagymértékben érintett. határ. Bár a Field Emission Electron Microscope (FEM) és Field Ion Microscope (FIM) jól használható felületkutatásra, a mintát speciálisan elő kell készíteni, és csak nagyon vékony tűhegyre lehet helyezni, és a mintának is ellenállni kell nagy intenzitású elektromos mezők, így korlátozza alkalmazási körét.
A pásztázó alagút-elektronmikroszkóp (STM) egészen más elven működik, nem elektronsugárral (például transzmissziós és pásztázó elektronmikroszkóppal) hatva szerez információt a minta anyagáról, és nem használ magas elektromos tér, hogy a mintában lévő elektronok többet nyerjenek, mint amennyi kijöjjön A munka energiájával kialakított emissziós áramfelvétel (például téremissziós elektronmikroszkóp) használható a mintaanyag tanulmányozására. A minta felületén lévő alagútáram detektálásával készül a minta felületének tanulmányozása érdekében.
elv
A pásztázó alagútmikroszkóp egy új típusú mikroszkópos eszköz a szilárd testek felületi morfológiájának megkülönböztetésére az elektronok alagútáramának detektálásával a szilárd felületen lévő atomokban a kvantummechanika alagúthatás elve szerint.
Az elektronok alagútképző hatása miatt a fémben lévő elektronok nincsenek teljesen bezárva a felületi határon belül, vagyis az elektronok sűrűsége nem hirtelen csökken nullára a felület határán, hanem a felületen kívül exponenciálisan bomlik le; a bomlási hossz körülbelül 1 nm, ami az elektronok eltávozásának felületi gátjának mértéke. Ha két fém nagyon közel van egymáshoz, elektronfelhőik átfedhetik egymást; ha a két fém közé kis feszültséget kapcsolunk, akkor közöttük elektromos áram (alagútáram) figyelhető meg.
A munkamódszer
Bár a pásztázó alagút elektronmikroszkópok konfigurációja eltérő, mindegyik a következő három fő részből áll: egy mechanikus rendszer (tükörtest), amely a szondát háromdimenziós mozgások végrehajtására hajtja a vezetőképes minta felületéhez képest, és arra szolgál. ellenőrizni és felügyelni a szondát. A mintától való távolság elektronikus rendszere és a mért adatok képpé konvertálására szolgáló kijelzőrendszer. Két üzemmódja van: állandó áram üzemmód és állandó magas üzemmód.
Állandó áramú üzemmód
Az alagútáramot egy elektronikus visszacsatoló áramkör szabályozza és állandóan tartja. Ezután a számítógépes rendszer úgy vezérli, hogy a tű hegye a minta felületén szkenneljen, azaz a tű hegye kétdimenziósan mozogjon x és y irányban. Mivel az alagútáramot állandóra kell szabályozni, a tűhegy és a mintafelület közötti lokális magasság is állandó marad, így a tűhegy ugyanazokat a fel- és lejtmeneteket hajtja végre, mint a mintafelület emelkedői és lejtői, ill. a magassági információ ennek megfelelően fog megjelenni. kijön. Ez azt jelenti, hogy a pásztázó alagút elektronmikroszkóp megkapja a minta felületének háromdimenziós információit. Ez a munkamódszer átfogó képinformációkat, kiváló minőségű mikroszkópos képeket nyer, és széles körben alkalmazzák.
Állandó magasságú üzemmód
Tartsa állandóan a tűhegy abszolút magasságát a minta beolvasási folyamata alatt; akkor megváltozik a tűhegy és a mintafelület közötti lokális távolság, és ennek megfelelően változik az I alagútáram nagysága is; az I alagútáram változását a számítógép rögzíti és átalakítja A képjelet megjeleníti, azaz pásztázó alagút elektronmikroszkópos mikroképet kapunk. Ez a munkamódszer csak viszonylag sík felületű és egykomponensű mintákhoz alkalmas.
Alkalmazás
Az alagútmikroszkóp elve a fizikai alagúthatás és az alagútáram okos felhasználása. A fémtestben nagyszámú "szabad" elektron található, és ezen "szabad" elektronok energiaeloszlása a fémtestben a Fermi-szint közelében koncentrálódik, és van egy potenciálgát, amelynek energiája magasabb, mint a Fermi-szint. a fém határ. Ezért a klasszikus fizika szemszögéből a fémben lévő "szabad" elektronok csak azok az elektronok tudnak kijutni a fém belsejéből kifelé, amelyek energiája nagyobb, mint a határgát. A kvantummechanika elvei szerint azonban a fémekben lévő szabad elektronok hullámtulajdonságokkal is rendelkeznek, és amikor ez az elektronhullám a fémhatárig terjed, és felületi gáttal találkozik, akkor annak egy része át fog terjedni. Vagyis néhány, a felületi potenciálgátnál alacsonyabb energiájú elektron áthatol a fémfelületi potenciálgáton, és "elektronfelhőt" képezhet a fémfelületen. Ezt a hatást alagútnak nevezik. Tehát ha két fém közel van egymáshoz (néhány nanométernél kevesebb), a két fém elektronfelhői áthatolnak egymáson. Ha megfelelő feszültséget alkalmazunk, akkor is áram folyik egyik fémről a másikra, ha a két fém nem is érintkezik igazán. Ezt az áramot alagútáramnak nevezzük.
Az alagútáram és az alagút ellenállása nagyon érzékeny az alagútrés változásaira. Még az alagútrés 0,01 nm-es változása is jelentős változásokat okozhat az alagútáramban.
Ha nagyon éles szondával (például wolframtűvel) a felülettel párhuzamosan szkennelünk x és y irányban néhány tized nanométer magasságban a sima mintafelülettől, mivel minden atomnak van egy bizonyos mérete, A középső alagútrés x és y függvényében változik, és a szondán átfolyó alagútáram is eltérő lesz. Még a néhány század nanométeres magasságváltozások is tükröződhetnek az alagútáramokban. A pásztázó szondával szinkronizált rögzítő segítségével rögzítik az alagútáram változásait, és néhány század nanométeres felbontású pásztázó alagút elektronmikroszkóp képe nyerhető.
