Skanerli tunnelli elektron mikroskopiyaga kirish
Kirish
Transmissiya elektron mikroskopi moddaning umumiy tuzilishini kuzatishda juda foydali, ammo sirt tuzilishini tahlil qilishda qiyinroqdir, chunki transmisyon elektron mikroskop namuna moddasini aks ettiruvchi namuna orqali yuqori energiyali elektr toki orqali ma'lumot oladi. . ichki ma'lumotlar. Elektron mikroskopni skanerlash (SEM) ma'lum sirt sharoitlarini aniqlashi mumkin bo'lsa-da, tushayotgan elektronlar har doim ma'lum energiyaga ega bo'lib, namunaga kirib boradi, tahlil qilinadigan "sirt" har doim ma'lum bir chuqurlikda bo'ladi va bo'linish tezligi ham katta ta'sir ko'rsatdi. chegara. Dala emissiya elektron mikroskopi (FEM) va dala ion mikroskopi (FIM) sirt tadqiqi uchun yaxshi ishlatilishi mumkin bo'lsa-da, namuna maxsus tayyorlangan bo'lishi kerak va faqat ignaning juda nozik uchiga joylashtirilishi mumkin va namuna ham bardosh berishi kerak. yuqori intensiv elektr maydonlari, shuning uchun u qo'llash doirasini cheklaydi.
Skanerli tunnel elektron mikroskopi (STM) butunlay boshqacha printsip asosida ishlaydi, u namunaga elektron nur bilan ta'sir qilish orqali namunaning moddasi haqida ma'lumot olmaydi (masalan, transmissiya va skanerlash elektron mikroskoplari) va yuqori mikroskoplardan foydalanmaydi. elektr maydoni namunadagi elektronlarni tashqariga chiqqandan ko'ra ko'proq kuchayishiga olib keladi. Ish energiyasidan hosil bo'lgan emissiya oqimini tasvirlash (masalan, maydon emissiya elektron mikroskopi) namuna materialini o'rganish uchun ishlatilishi mumkin. Namuna sirtini o'rganish uchun namuna yuzasida tunnel oqimini aniqlash orqali tasvirlangan.
tamoyil
Skanerli tunnel mikroskopi - kvant mexanikasidagi tunnel effekti printsipiga ko'ra qattiq sirtdagi atomlardagi elektronlarning tunnel oqimini aniqlash orqali qattiq jismlarning sirt morfologiyasini farqlash uchun mikroskopik qurilmaning yangi turi.
Elektronlarning tunnel ta'siri tufayli metalldagi elektronlar sirt chegarasida to'liq chegaralanib qolmaydi, ya'ni elektronlar zichligi sirt chegarasida birdaniga nolga tushmaydi, balki sirtdan tashqarida eksponensial parchalanadi; parchalanish uzunligi taxminan 1 nm, bu elektronlar qochish uchun sirt to'sig'ining o'lchovidir. Agar ikkita metal bir-biriga juda yaqin bo'lsa, ularning elektron bulutlari bir-biriga yopishishi mumkin; agar ikkita metall o'rtasida kichik kuchlanish qo'llanilsa, ular orasidagi elektr tokini (tunnel oqimi deb ataladi) kuzatish mumkin.
Ishlash usuli
Skanerli tunnelli elektron mikroskoplarning konfiguratsiyasi har xil bo'lsa-da, ularning barchasi quyidagi uchta asosiy qismni o'z ichiga oladi: o'tkazuvchan namuna yuzasiga nisbatan uch o'lchovli harakatlar qilish uchun zondni boshqaradigan mexanik tizim (oyna tanasi). probni nazorat qilish va nazorat qilish. Namunadan masofaning elektron tizimi va o'lchangan ma'lumotlarni tasvirga aylantirish uchun displey tizimi. U ikkita ish rejimiga ega: doimiy oqim rejimi va doimiy yuqori rejim.
Doimiy oqim rejimi
Tunnel oqimi elektron qayta aloqa zanjiri tomonidan boshqariladi va doimiy ravishda saqlanadi. Keyin kompyuter tizimi namuna yuzasida skanerlash uchun igna uchini boshqaradi, ya'ni igna uchini x va y yo'nalishlari bo'ylab ikki o'lchovli harakatga keltiradi. Tunnel oqimi doimiy bo'lishi uchun nazorat qilinishi kerakligi sababli, igna uchi va namuna yuzasi o'rtasidagi mahalliy balandlik ham o'zgarmas bo'lib qoladi, shuning uchun igna uchi namuna yuzasining ko'tarilishi va tushishi bilan bir xil ko'tarilish va pasayishlarni amalga oshiradi va balandligi haqidagi ma'lumotlar mos ravishda aks ettiriladi. chiqmoq. Ya'ni, skanerlash tunnelli elektron mikroskopi namuna yuzasining uch o'lchovli ma'lumotlarini oladi. Ushbu ish usuli keng qamrovli tasvir ma'lumotlarini, yuqori sifatli mikroskopik tasvirlarni oladi va keng qo'llaniladi.
Doimiy balandlik rejimi
Namunani skanerlash jarayonida igna uchining mutlaq balandligini doimiy ravishda saqlang; keyin igna uchi va namuna yuzasi orasidagi mahalliy masofa o'zgaradi va tunnel oqimining I hajmi ham shunga mos ravishda o'zgaradi; tunnel oqimining o'zgarishi I kompyuter tomonidan qayd qilinadi va unga aylantiriladi Tasvir signali ko'rsatiladi, ya'ni skanerlash tunnelli elektron mikroskop mikrografi olinadi. Bunday ishlash usuli faqat nisbatan tekis yuzalar va bitta komponentli namunalar uchun javob beradi.
ilova
Tunnel mikroskopining printsipi jismoniy tunnel effekti va tunnel oqimidan oqilona foydalanishdir. Metall tanasida juda ko'p "erkin" elektronlar mavjud va bu "erkin" elektronlarning metall tanasida energiya taqsimoti Fermi darajasiga yaqin joyda to'plangan va Fermi darajasidan yuqori energiyaga ega potentsial to'siq mavjud. metall chegarasi. Shuning uchun klassik fizika nuqtai nazaridan, metalldagi "erkin" elektronlar, faqat energiyasi chegara to'sig'idan yuqori bo'lgan elektronlar metallning ichki qismidan tashqariga chiqib ketishi mumkin. Biroq, kvant mexanikasi tamoyillariga ko'ra, metallardagi erkin elektronlar ham to'lqinli xususiyatga ega va bu elektron to'lqin metall chegarasiga tarqalib, sirt to'sig'iga duch kelganda, uning bir qismi uzatiladi. Ya'ni, energiya sirt potentsial to'sig'idan past bo'lgan ba'zi elektronlar metall sirt potentsial to'sig'iga kirib, metall yuzasida "elektron buluti" hosil qilishi mumkin. Ushbu effekt tunnel deb ataladi. Shunday qilib, ikkita metal yaqin joylashganda (bir necha nanometrdan kam), ikkita metallning elektron bulutlari bir-biriga kirib boradi. Tegishli kuchlanish qo'llanilganda, ikkita metall haqiqatan ham aloqada bo'lmasa ham, oqim bir metalldan ikkinchisiga o'tadi. Ushbu oqim tunnel oqimi deb ataladi.
Tunnel oqimi va tunnel qarshiligi tunnel bo'shlig'idagi o'zgarishlarga juda sezgir. Tunnel bo'shlig'idagi 0.01nm o'zgarishi ham tunnel oqimida sezilarli o'zgarishlarga olib kelishi mumkin.
Agar juda o'tkir zond (masalan, volfram ignasi) silliq namuna yuzasidan bir necha o'ndan bir necha nanometr balandlikda x va y yo'nalishlarida sirtga parallel ravishda skanerlash uchun ishlatilsa, chunki har bir atom ma'lum bir o'lchamga ega. o'rta tunnel bo'shlig'i x va y ga qarab o'zgaradi va prob orqali oqadigan tunnel oqimi ham boshqacha bo'ladi. Hatto bir necha yuzdan bir nanometr balandlikdagi o'zgarishlar ham tunnel oqimlarida aks etishi mumkin. Tunnel oqimining o'zgarishlarini qayd qilish uchun skanerlash zondi bilan sinxronlashtirilgan magnitafon ishlatiladi va bir necha yuzdan bir nanometr o'lchamdagi skanerlash tunnel elektron mikroskop tasvirini olish mumkin.
