مقدمه ای بر میکروسکوپ الکترونی تونلی روبشی
معرفی
میکروسکوپ الکترونی عبوری در مشاهده ساختار کلی ماده بسیار مفید است، اما در تجزیه و تحلیل ساختار سطح دشوارتر است، زیرا میکروسکوپ الکترونی عبوری اطلاعات را از طریق الکتریسیته پرانرژی از طریق نمونه به دست میآورد که ماده نمونه را منعکس میکند. . اطلاعات داخلی. اگرچه میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) میتواند شرایط سطحی خاصی را نشان دهد، از آنجایی که الکترونهای فرودی همیشه انرژی خاصی دارند و به داخل نمونه نفوذ میکنند، به اصطلاح «سطح» تجزیهوتحلیل شده همیشه در عمق معینی است و نرخ شکافتن نیز همینطور است. به شدت تحت تاثیر قرار گرفت. حد. اگرچه میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی (FEM) و میکروسکوپ یونی میدانی (FIM) می توانند به خوبی برای تحقیقات سطحی استفاده شوند، نمونه باید به طور خاص آماده شود و فقط می تواند بر روی یک نوک سوزن بسیار نازک قرار گیرد و نمونه نیز باید بتواند مقاومت کند. میدان های الکتریکی با شدت بالا، به طوری که دامنه کاربرد آن را محدود می کند.
میکروسکوپ الکترونی تونلی روبشی (STM) بر اساس یک اصل کاملاً متفاوت کار می کند، این میکروسکوپ با عمل بر روی نمونه با پرتوهای الکترونی (مانند میکروسکوپ های الکترونی روبشی و انتقالی) اطلاعاتی در مورد ماده نمونه به دست نمی آورد و همچنین از یک میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده نمی کند. میدان الکتریکی برای افزایش بیشتر الکترونهای نمونه از بیرون میآید. تصویربرداری جریان انتشار (مانند میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی) که توسط انرژی کار تشکیل شده است، میتواند برای مطالعه مواد نمونه استفاده شود. با تشخیص جریان تونل روی سطح نمونه، تصویربرداری می شود تا سطح نمونه مورد مطالعه قرار گیرد.
اصل
میکروسکوپ تونل زنی روبشی نوع جدیدی از دستگاه میکروسکوپی برای تشخیص مورفولوژی سطح جامدات با تشخیص جریان تونل زنی الکترون ها در اتم ها بر روی سطح جامد طبق اصل اثر تونل زنی در مکانیک کوانتومی است.
به دلیل اثر تونل زنی الکترون ها، الکترون های فلز به طور کامل در مرز سطح محصور نمی شوند، یعنی چگالی الکترون ها در مرز سطح به طور ناگهانی به صفر نمی رسد، بلکه به طور تصاعدی در خارج از سطح فروپاشی می کند. طول واپاشی حدود 1 نانومتر است که معیاری از سد سطحی الکترونها برای فرار است. اگر دو فلز بسیار نزدیک به یکدیگر باشند، ابرهای الکترونی آنها ممکن است همپوشانی داشته باشند. اگر ولتاژ کمی بین دو فلز اعمال شود، یک جریان الکتریکی (به نام جریان تونل زنی) بین آنها قابل مشاهده است.
شیوه ی کار
اگرچه پیکربندی میکروسکوپ های الکترونی تونلی روبشی متفاوت است، اما همه آنها شامل سه بخش اصلی زیر هستند: یک سیستم مکانیکی (جسم آینه ای) که پروب را برای انجام حرکات سه بعدی نسبت به سطح نمونه رسانا هدایت می کند و برای کاوشگر را کنترل و نظارت کنید. سیستم الکترونیکی برای فاصله از نمونه و سیستم نمایش برای تبدیل داده های اندازه گیری شده به تصاویر. دارای دو حالت کار است: حالت جریان ثابت و حالت ثابت بالا.
حالت جریان ثابت
جریان تونل زنی توسط یک مدار بازخورد الکترونیکی کنترل و ثابت نگه داشته می شود. سپس سیستم کامپیوتری نوک سوزن را برای اسکن روی سطح نمونه کنترل می کند، یعنی حرکت نوک سوزن را به صورت دو بعدی در امتداد جهت های x و y انجام می دهد. از آنجایی که جریان تونل باید کنترل شود تا ثابت باشد، ارتفاع محلی بین نوک سوزن و سطح نمونه نیز ثابت می ماند، بنابراین نوک سوزن همان بالا و پایین رفتن سطح نمونه را انجام می دهد. اطلاعات ارتفاع بر این اساس منعکس خواهد شد. بیا بیرون. یعنی میکروسکوپ الکترونی تونلی روبشی اطلاعات سه بعدی سطح نمونه را به دست می آورد. این روش کاری اطلاعات تصویری جامع، تصاویر میکروسکوپی با کیفیت بالا را به دست می آورد و به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد.
حالت ارتفاع ثابت
در طول فرآیند اسکن نمونه، ارتفاع مطلق نوک سوزن را ثابت نگه دارید. سپس فاصله محلی بین نوک سوزن و سطح نمونه تغییر خواهد کرد و اندازه جریان تونل I نیز بر این اساس تغییر خواهد کرد. تغییر جریان تونل I توسط کامپیوتر ثبت می شود و به آن تبدیل می شود. سیگنال تصویر نمایش داده می شود، یعنی یک میکروسکوپ الکترونی تونل روبشی به دست می آید. این روش کار فقط برای نمونه هایی با سطوح نسبتاً صاف و تک جزء مناسب است.
کاربرد
اصل میکروسکوپ تونل زنی استفاده هوشمندانه از اثر تونل زنی فیزیکی و جریان تونل زنی است. تعداد زیادی الکترون آزاد در جسم فلزی وجود دارد و توزیع انرژی این الکترونهای آزاد در جسم فلزی در نزدیکی سطح فرمی متمرکز است و یک سد پتانسیل با انرژی بالاتر از سطح فرمی در بدنه فلزی وجود دارد. مرز فلزی بنابراین، از دیدگاه فیزیک کلاسیک، الکترونهای «آزاد» در یک فلز، فقط آن دسته از الکترونهایی که انرژی آنها از سد مرزی بالاتر است، میتوانند از داخل فلز به بیرون فرار کنند. اما بر اساس اصول مکانیک کوانتومی، الکترون های آزاد در فلزات نیز دارای خواص موجی هستند و زمانی که این موج الکترونی تا مرز فلز منتشر می شود و با مانع سطحی برخورد می کند، بخشی از آن منتقل می شود. به این معنا که برخی از الکترون ها با انرژی کمتر از سد پتانسیل سطحی می توانند به سد پتانسیل سطح فلز نفوذ کرده و یک "ابر الکترونی" بر روی سطح فلز تشکیل دهند. این اثر تونل زنی نامیده می شود. بنابراین، هنگامی که دو فلز در مجاورت یکدیگر باشند (کمتر از چند نانومتر)، ابرهای الکترونی دو فلز به یکدیگر نفوذ خواهند کرد. هنگامی که یک ولتاژ مناسب اعمال می شود، حتی اگر دو فلز واقعاً در تماس نباشند، جریانی از یک فلز به فلز دیگر می گذرد. این جریان را جریان تونلی می نامند.
جریان تونل و مقاومت تونل به تغییرات در شکاف تونل بسیار حساس هستند. حتی یک تغییر 0.01nm در شکاف تونل می تواند باعث تغییرات قابل توجهی در جریان تونل شود.
اگر از یک کاوشگر بسیار تیز (مانند سوزن تنگستن) برای اسکن موازی با سطح در جهات x و y در ارتفاع چند دهم نانومتری از سطح نمونه صاف استفاده شود، زیرا هر اتم اندازه مشخصی دارد، شکاف تونل میانی با x و y تغییر می کند و جریان تونل که از پروب عبور می کند نیز متفاوت خواهد بود. حتی تغییرات ارتفاع چند صدم نانومتر را می توان در جریان های تونل زنی منعکس کرد. برای ثبت تغییرات جریان تونل زنی از یک ضبط کننده هماهنگ با پروب اسکن استفاده می شود و می توان تصویر میکروسکوپ الکترونی تونل زنی روبشی با وضوح چند صدم نانومتر به دست آورد.
