Pengenalan kepada Mengimbas Mikroskopi Elektron Terowong
pengenalan
Mikroskop elektron penghantaran sangat berguna dalam memerhati struktur keseluruhan bahan, tetapi lebih sukar dalam analisis struktur permukaan, kerana mikroskop elektron penghantaran memperoleh maklumat melalui elektrik tenaga tinggi melalui sampel, mencerminkan bahan sampel . maklumat dalaman. Walaupun mikroskop elektron pengimbasan (SEM) boleh mendedahkan keadaan permukaan tertentu, kerana elektron kejadian sentiasa mempunyai tenaga tertentu dan akan menembusi ke dalam sampel, apa yang dipanggil "permukaan" dianalisis sentiasa pada kedalaman tertentu, dan kadar pemisahan juga sangat terjejas. had. Walaupun Mikroskop Elektron Pelepasan Medan (FEM) dan Mikroskop Ion Medan (FIM) boleh digunakan dengan baik untuk penyelidikan permukaan, sampel mesti disediakan khas dan hanya boleh diletakkan pada hujung jarum yang sangat nipis, dan sampel juga mesti dapat bertahan. medan elektrik berintensiti tinggi, supaya Ia mengehadkan skop penggunaannya.
Mengimbas Mikroskop Elektron Terowong (STM) berfungsi pada prinsip yang berbeza sama sekali, ia tidak memperoleh maklumat tentang bahan sampel dengan bertindak ke atas sampel dengan pancaran elektron (seperti penghantaran dan pengimbasan mikroskop elektron), dan juga tidak menggunakan medan elektrik untuk menjadikan elektron dalam sampel mendapat lebih daripada keluar Pengimejan arus pelepasan (seperti mikroskop elektron pelepasan medan) yang dibentuk oleh tenaga kerja boleh digunakan untuk mengkaji bahan sampel. Ia digambarkan dengan mengesan arus terowong pada permukaan sampel, untuk mengkaji permukaan sampel.
prinsip
Mengimbas mikroskop terowong ialah sejenis peranti mikroskopik baharu untuk membezakan morfologi permukaan pepejal dengan mengesan arus terowong elektron dalam atom pada permukaan pepejal mengikut prinsip kesan terowong dalam mekanik kuantum.
Disebabkan oleh kesan terowong elektron, elektron dalam logam tidak terkurung sepenuhnya dalam sempadan permukaan, iaitu, ketumpatan elektron tidak tiba-tiba turun kepada sifar pada sempadan permukaan, tetapi mereput secara eksponen di luar permukaan; panjang pereputan adalah kira-kira 1nm, yang merupakan ukuran penghalang permukaan untuk elektron melarikan diri. Jika dua logam sangat rapat antara satu sama lain, awan elektronnya mungkin bertindih; jika voltan kecil dikenakan antara dua logam, arus elektrik (dipanggil arus terowong) di antara mereka boleh diperhatikan.
Cara kerja
Walaupun konfigurasi pengimbasan mikroskop elektron terowong adalah berbeza, semuanya termasuk tiga bahagian utama berikut: sistem mekanikal (badan cermin) yang memacu probe untuk membuat pergerakan tiga dimensi berbanding permukaan sampel konduktif, dan digunakan untuk mengawal dan memantau probe. Sistem elektronik untuk jarak dari sampel dan sistem paparan untuk menukar data yang diukur kepada imej. Ia mempunyai dua mod kerja: mod arus malar dan mod tinggi malar.
Mod semasa berterusan
Arus terowong dikawal dan dikekalkan oleh litar suap balik elektronik. Kemudian sistem komputer mengawal hujung jarum untuk mengimbas pada permukaan sampel, iaitu menjadikan hujung jarum bergerak dua dimensi mengikut arah x dan y. Memandangkan arus terowong perlu dikawal supaya malar, ketinggian setempat antara hujung jarum dan permukaan sampel juga akan kekal malar, jadi hujung jarum akan melakukan turun naik yang sama dengan naik turun permukaan sampel, dan maklumat ketinggian akan ditunjukkan dengan sewajarnya. keluar. Maksudnya, mikroskop elektron pengimbasan terowong memperoleh maklumat tiga dimensi permukaan sampel. Kaedah kerja ini memperoleh maklumat imej yang komprehensif, imej mikroskopik berkualiti tinggi, dan digunakan secara meluas.
Mod ketinggian malar
Pastikan ketinggian mutlak hujung jarum tetap semasa proses pengimbasan sampel; maka jarak setempat antara hujung jarum dan permukaan sampel akan berubah, dan saiz arus terowong saya juga akan berubah dengan sewajarnya; perubahan arus terowong I direkodkan oleh komputer dan ditukarkan kepada Isyarat imej dipaparkan iaitu mikrograf mikroskop elektron terowong pengimbasan diperolehi. Cara kerja ini hanya sesuai untuk sampel dengan permukaan yang agak rata dan komponen tunggal.
permohonan
Prinsip mikroskop terowong adalah dengan bijak menggunakan kesan terowong fizikal dan arus terowong. Terdapat sejumlah besar elektron "bebas" dalam badan logam, dan pengagihan tenaga elektron "bebas" ini dalam badan logam tertumpu berhampiran tahap Fermi, dan terdapat halangan berpotensi dengan tenaga lebih tinggi daripada tahap Fermi pada sempadan logam. Oleh itu, dari perspektif fizik klasik, elektron "bebas" dalam logam, hanya elektron yang tenaganya lebih tinggi daripada halangan sempadan, boleh melarikan diri dari bahagian dalam logam ke luar. Walau bagaimanapun, mengikut prinsip mekanik kuantum, elektron bebas dalam logam juga mempunyai sifat gelombang, dan apabila gelombang elektron ini merambat ke sempadan logam dan menemui halangan permukaan, sebahagian daripadanya akan dihantar. Maksudnya, sesetengah elektron dengan tenaga lebih rendah daripada halangan potensi permukaan boleh menembusi halangan potensi permukaan logam dan membentuk "awan elektron" pada permukaan logam. Kesan ini dipanggil terowong. Jadi, apabila dua logam berada dalam jarak yang dekat (kurang daripada beberapa nanometer), awan elektron kedua-dua logam akan menembusi satu sama lain. Apabila voltan yang sesuai digunakan, walaupun kedua-dua logam tidak benar-benar bersentuhan, arus akan mengalir dari satu logam ke logam yang lain. Arus ini dipanggil arus terowong.
Arus terowong dan rintangan terowong sangat sensitif terhadap perubahan dalam jurang terowong. Malah perubahan 0.01nm dalam jurang terowong boleh menyebabkan perubahan ketara dalam arus terowong.
Jika kuar yang sangat tajam (seperti jarum tungsten) digunakan untuk mengimbas selari dengan permukaan dalam arah x dan y pada ketinggian beberapa persepuluh nanometer dari permukaan sampel yang licin, kerana setiap atom mempunyai saiz tertentu, Jurang terowong tengah akan berbeza dengan x dan y, dan arus terowong yang mengalir melalui probe juga berbeza. Malah variasi ketinggian beberapa ratus nanometer boleh dicerminkan dalam arus terowong. Perakam yang disegerakkan dengan probe pengimbasan digunakan untuk merekodkan perubahan arus terowong, dan imej mikroskop elektron terowong pengimbasan dengan resolusi beberapa ratus nanometer boleh diperolehi.
