Giới thiệu về kính hiển vi điện tử quét đường hầm
Giới thiệu
Kính hiển vi điện tử truyền qua rất hữu ích trong việc quan sát cấu trúc tổng thể của chất, nhưng khó khăn hơn trong phân tích cấu trúc bề mặt, vì kính hiển vi điện tử truyền qua thu được thông tin thông qua dòng điện năng lượng cao qua mẫu, phản xạ chất mẫu. . thông tin bên trong. Mặc dù kính hiển vi điện tử quét (SEM) có thể tiết lộ một số điều kiện bề mặt nhất định, vì các electron tới luôn có một năng lượng nhất định và sẽ thâm nhập vào mẫu, nên cái gọi là "bề mặt" được phân tích luôn ở một độ sâu nhất định và tốc độ phân tách cũng là bị ảnh hưởng nặng nê. giới hạn. Mặc dù Kính hiển vi điện tử phát xạ trường (FEM) và Kính hiển vi ion trường (FIM) có thể được sử dụng tốt cho nghiên cứu bề mặt, nhưng mẫu phải được chuẩn bị đặc biệt và chỉ có thể được đặt trên một đầu kim rất mỏng và mẫu cũng phải có khả năng chịu được điện trường cường độ cao, do đó Nó giới hạn phạm vi ứng dụng của nó.
Kính hiển vi điện tử quét đường hầm (STM) hoạt động theo nguyên tắc hoàn toàn khác, nó không thu được thông tin về chất của mẫu bằng cách tác động lên mẫu bằng chùm điện tử (chẳng hạn như kính hiển vi điện tử quét và truyền qua), cũng như không sử dụng điện trường để làm cho các electron trong mẫu thu được nhiều hơn là đi ra. Hình ảnh dòng phát xạ (chẳng hạn như kính hiển vi điện tử phát xạ trường) được hình thành bởi năng lượng công có thể được sử dụng để nghiên cứu vật liệu mẫu. Nó được chụp ảnh bằng cách phát hiện dòng điện đường hầm trên bề mặt của mẫu, để nghiên cứu bề mặt của mẫu.
nguyên tắc
Kính hiển vi quét đường hầm là một loại thiết bị hiển vi mới để phân biệt hình thái bề mặt của chất rắn bằng cách phát hiện dòng điện xuyên hầm của các electron trong các nguyên tử trên bề mặt chất rắn theo nguyên lý hiệu ứng đường hầm trong cơ học lượng tử.
Do hiệu ứng đường hầm của các electron, các electron trong kim loại không bị giới hạn hoàn toàn trong ranh giới bề mặt, nghĩa là mật độ của các electron không đột ngột giảm xuống 0 ở ranh giới bề mặt, mà phân rã theo cấp số nhân bên ngoài bề mặt; chiều dài phân rã là khoảng 1nm, là thước đo hàng rào bề mặt để các electron thoát ra. Nếu hai kim loại ở rất gần nhau, các đám mây điện tử của chúng có thể chồng lên nhau; nếu một điện áp nhỏ được đặt giữa hai kim loại, có thể quan sát thấy một dòng điện (gọi là dòng điện xuyên hầm) giữa chúng.
Cách làm việc
Mặc dù cấu hình của kính hiển vi điện tử quét đường hầm là khác nhau, nhưng chúng đều bao gồm ba phần chính sau: một hệ thống cơ học (thân gương) điều khiển đầu dò tạo ra các chuyển động ba chiều so với bề mặt của mẫu dẫn điện và được sử dụng để điều khiển và giám sát đầu dò. Hệ thống điện tử cho khoảng cách từ mẫu và hệ thống hiển thị để chuyển đổi dữ liệu đo được thành hình ảnh. Nó có hai chế độ làm việc: chế độ dòng không đổi và chế độ cao không đổi.
Chế độ dòng điện không đổi
Dòng xuyên hầm được kiểm soát và giữ cố định bằng mạch phản hồi điện tử. Sau đó, hệ thống máy tính sẽ điều khiển đầu kim quét trên bề mặt mẫu, tức là làm cho đầu kim di chuyển hai chiều theo phương x và y. Vì dòng điện trong đường hầm cần được kiểm soát để không đổi, chiều cao cục bộ giữa đầu kim và bề mặt mẫu cũng sẽ không đổi, do đó, đầu kim sẽ thực hiện các chuyển động lên xuống tương tự với các chuyển động lên xuống của bề mặt mẫu, và thông tin chiều cao sẽ được phản ánh tương ứng. đi ra ngoài. Điều đó có nghĩa là, kính hiển vi điện tử quét đường hầm thu được thông tin ba chiều của bề mặt mẫu. Phương pháp làm việc này thu được thông tin hình ảnh toàn diện, hình ảnh hiển vi chất lượng cao và được sử dụng rộng rãi.
Chế độ chiều cao không đổi
Giữ độ cao tuyệt đối của đầu kim không đổi trong quá trình quét mẫu; sau đó khoảng cách cục bộ giữa đầu kim và bề mặt mẫu sẽ thay đổi và kích thước của dòng điện trong đường hầm I cũng sẽ thay đổi tương ứng; sự thay đổi của dòng điện trong đường hầm I được máy tính ghi lại và chuyển đổi thành Tín hiệu hình ảnh được hiển thị, tức là thu được ảnh vi mô kính hiển vi điện tử quét đường hầm. Cách làm việc này chỉ phù hợp với các mẫu có bề mặt tương đối phẳng và các thành phần đơn lẻ.
ứng dụng
Nguyên tắc của kính hiển vi đường hầm là sử dụng khéo léo hiệu ứng đường hầm vật lý và dòng điện đường hầm. Có một số lượng lớn các điện tử "tự do" trong cơ thể kim loại và sự phân bố năng lượng của các điện tử "tự do" này trong cơ thể kim loại tập trung gần mức Fermi và có một rào cản tiềm năng với năng lượng cao hơn mức Fermi trên ranh giới kim loại. Vì vậy, theo quan điểm của vật lý cổ điển, các electron “tự do” trong kim loại, chỉ những electron có năng lượng lớn hơn hàng rào biên mới có thể thoát ra bên ngoài kim loại. Tuy nhiên, theo các nguyên lý của cơ học lượng tử, các electron tự do trong kim loại cũng có tính chất sóng, khi sóng electron này truyền đến ranh giới kim loại và gặp một rào cản bề mặt, một phần của nó sẽ bị truyền đi. Điều đó có nghĩa là, một số electron có năng lượng thấp hơn hàng rào tiềm năng bề mặt có thể xuyên qua hàng rào tiềm năng bề mặt kim loại và tạo thành một "đám mây điện tử" trên bề mặt kim loại. Hiệu ứng này được gọi là đường hầm. Vì vậy, khi hai kim loại ở gần nhau (dưới vài nanomet), các đám mây điện tử của hai kim loại sẽ xuyên qua nhau. Khi đặt một điện áp thích hợp, ngay cả khi hai kim loại không thực sự tiếp xúc với nhau, một dòng điện sẽ chạy từ kim loại này sang kim loại khác. Dòng điện này được gọi là dòng điện đường hầm.
Dòng điện trong hầm và điện trở trong hầm rất nhạy cảm với những thay đổi trong khe hở của hầm. Ngay cả sự thay đổi 0.01nm trong khe hở đường hầm cũng có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong dòng điện trong đường hầm.
Nếu một đầu dò rất sắc (chẳng hạn như kim vonfram) được sử dụng để quét song song với bề mặt theo hướng x và y ở độ cao vài phần mười nanomet so với bề mặt mẫu nhẵn, vì mỗi nguyên tử có một kích thước nhất định, Khoảng cách giữa đường hầm sẽ thay đổi theo x và y, và dòng điện trong đường hầm chạy qua đầu dò cũng sẽ khác. Ngay cả những thay đổi về chiều cao của vài phần trăm nanomet cũng có thể được phản ánh trong các dòng điện trong đường hầm. Một máy ghi được đồng bộ hóa với đầu dò quét được sử dụng để ghi lại những thay đổi của dòng điện xuyên hầm và có thể thu được hình ảnh kính hiển vi điện tử quét đường hầm với độ phân giải vài phần trăm nanomet.
