Einführung in die Rastertunnelelektronenmikroskopie
Einführung
Das Transmissionselektronenmikroskop ist bei der Beobachtung der Gesamtstruktur der Substanz sehr nützlich, bei der Analyse der Oberflächenstruktur ist es jedoch schwieriger, da das Transmissionselektronenmikroskop Informationen durch die energiereiche Elektrizität durch die Probe erhält, die die Probensubstanz reflektiert . Insider Wissen. Obwohl Rasterelektronenmikroskopie (REM) bestimmte Oberflächenbeschaffenheiten aufdecken kann, da die einfallenden Elektronen immer eine bestimmte Energie haben und in die Probe eindringen, befindet sich die analysierte sogenannte „Oberfläche“ immer in einer bestimmten Tiefe, und auch die Aufspaltungsrate ist vorhanden stark betroffen. Grenze. Obwohl Feldemissionselektronenmikroskop (FEM) und Feldionenmikroskop (FIM) gut für die Oberflächenforschung eingesetzt werden können, muss die Probe speziell vorbereitet werden und darf nur auf einer sehr dünnen Nadelspitze platziert werden, außerdem muss die Probe standhalten können hochintensive elektrische Felder, so dass der Anwendungsbereich eingeschränkt ist.
Das Rastertunnelelektronenmikroskop (STM) funktioniert nach einem völlig anderen Prinzip: Es erhält keine Informationen über die Substanz der Probe, indem es mit einem Elektronenstrahl auf die Probe einwirkt (wie bei Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopen) und verwendet auch kein Hochfrequenzmikroskop Ein elektrisches Feld sorgt dafür, dass die Elektronen in der Probe mehr gewinnen als herauskommen. Die durch die Arbeitsenergie erzeugte Emissionsstrombildgebung (z. B. ein Feldemissionselektronenmikroskop) kann zur Untersuchung des Probenmaterials verwendet werden. Die Abbildung erfolgt durch die Erfassung des Tunnelstroms auf der Oberfläche der Probe, um so die Oberfläche der Probe zu untersuchen.
Prinzip
Das Rastertunnelmikroskop ist ein neuartiges mikroskopisches Gerät zur Unterscheidung der Oberflächenmorphologie von Festkörpern durch die Erfassung des Tunnelstroms von Elektronen in Atomen auf der Festkörperoberfläche nach dem Prinzip des Tunneleffekts in der Quantenmechanik.
Aufgrund des Tunneleffekts der Elektronen sind die Elektronen im Metall nicht vollständig innerhalb der Oberflächengrenze eingeschlossen, das heißt, die Elektronendichte fällt an der Oberflächengrenze nicht plötzlich auf Null, sondern nimmt außerhalb der Oberfläche exponentiell ab; Die Zerfallslänge beträgt etwa 1 nm, was ein Maß für die Oberflächenbarriere für das Entweichen von Elektronen ist. Wenn zwei Metalle sehr nahe beieinander liegen, können sich ihre Elektronenwolken überlappen; Wenn zwischen den beiden Metallen eine kleine Spannung angelegt wird, kann zwischen ihnen ein elektrischer Strom (Tunnelstrom genannt) beobachtet werden.
Arbeitsweise
Obwohl die Konfigurationen von Rastertunnelelektronenmikroskopen unterschiedlich sind, umfassen sie alle die folgenden drei Hauptteile: ein mechanisches System (Spiegelkörper), das die Sonde dazu antreibt, dreidimensionale Bewegungen relativ zur Oberfläche der leitfähigen Probe auszuführen, und ist daran gewöhnt Steuern und Überwachen der Sonde. Das elektronische System für den Abstand zur Probe und das Anzeigesystem zur Umwandlung der Messdaten in Bilder. Es verfügt über zwei Arbeitsmodi: Konstantstrommodus und Konstant-Hoch-Modus.
Konstantstrommodus
Der Tunnelstrom wird durch eine elektronische Rückkopplungsschaltung gesteuert und konstant gehalten. Dann steuert das Computersystem die Nadelspitze so, dass sie die Probenoberfläche abtastet, das heißt, dass sich die Nadelspitze zweidimensional entlang der x- und y-Richtung bewegt. Da der Tunnelstrom so gesteuert werden muss, dass er konstant bleibt, bleibt auch die lokale Höhe zwischen der Nadelspitze und der Probenoberfläche konstant, sodass die Nadelspitze mit den Höhen und Tiefen der Probenoberfläche die gleichen Höhen und Tiefen ausführt, und Die Höheninformationen werden entsprechend wiedergegeben. herauskommen. Das heißt, das Rastertunnelelektronenmikroskop erhält die dreidimensionalen Informationen der Probenoberfläche. Diese Arbeitsmethode liefert umfassende Bildinformationen, hochwertige mikroskopische Bilder und ist weit verbreitet.
Konstanthöhenmodus
Halten Sie die absolute Höhe der Nadelspitze während des Scanvorgangs der Probe konstant; dann ändert sich der örtliche Abstand zwischen Nadelspitze und Probenoberfläche und entsprechend ändert sich auch die Größe des Tunnelstroms I; Die Änderung des Tunnelstroms I wird vom Computer aufgezeichnet und in das Bildsignal umgewandelt, das heißt, es entsteht eine rastertunnelelektronenmikroskopische Aufnahme. Diese Arbeitsweise eignet sich nur für Proben mit relativ ebenen Oberflächen und Einzelkomponenten.
Anwendung
Das Prinzip des Tunnelmikroskops besteht darin, den physikalischen Tunneleffekt und den Tunnelstrom geschickt zu nutzen. Es gibt eine große Anzahl „freier“ Elektronen im Metallkörper, und die Energieverteilung dieser „freien“ Elektronen im Metallkörper ist in der Nähe des Fermi-Niveaus konzentriert, und es liegt eine Potentialbarriere mit einer Energie über dem Fermi-Niveau vor die Metallgrenze. Daher können aus der Sicht der klassischen Physik „freie“ Elektronen in einem Metall, also nur solche Elektronen, deren Energie höher als die Grenzbarriere ist, aus dem Inneren des Metalls nach außen entweichen. Nach den Prinzipien der Quantenmechanik haben jedoch auch freie Elektronen in Metallen Welleneigenschaften, und wenn sich diese Elektronenwelle zur Metallgrenze ausbreitet und auf eine Oberflächenbarriere trifft, wird ein Teil davon übertragen. Das heißt, einige Elektronen mit einer Energie, die niedriger als die Oberflächenpotentialbarriere ist, können die Potentialbarriere der Metalloberfläche durchdringen und eine „Elektronenwolke“ auf der Metalloberfläche bilden. Dieser Effekt wird Tunneln genannt. Wenn sich also zwei Metalle nahe beieinander befinden (weniger als ein paar Nanometer), durchdringen sich die Elektronenwolken der beiden Metalle gegenseitig. Wenn eine geeignete Spannung angelegt wird, fließt ein Strom von einem Metall zum anderen, auch wenn die beiden Metalle nicht wirklich in Kontakt sind. Dieser Strom wird Tunnelstrom genannt.
Tunnelstrom und Tunnelwiderstand reagieren sehr empfindlich auf Veränderungen im Tunnelspalt. Selbst eine Änderung der Tunnellücke um 0,01 nm kann zu erheblichen Änderungen des Tunnelstroms führen.
Wenn mit einer sehr scharfen Sonde (z. B. einer Wolframnadel) in einer Höhe von einigen Zehntel Nanometern von der glatten Probenoberfläche parallel zur Oberfläche in x- und y-Richtung abgetastet wird, da jedes Atom eine bestimmte Größe hat, Die mittlere Tunnellücke variiert mit x und y, und der durch die Sonde fließende Tunnelstrom wird ebenfalls unterschiedlich sein. Selbst Höhenunterschiede von wenigen Hundertstel Nanometern können sich in Tunnelströmen widerspiegeln. Mit einem mit der Rastersonde synchronisierten Rekorder werden die Änderungen des Tunnelstroms aufgezeichnet und ein Rastertunnelelektronenmikroskopbild mit einer Auflösung von wenigen Hundertstel Nanometern gewonnen.
