Eine Einführung in das Rastertunnelelektronenmikroskop
Das Rastertunnelelektronenmikroskop (STM) ist ein Instrument, das den Tunneleffekt der Quantentheorie nutzt, um die Struktur der Oberfläche von Materie zu untersuchen. Dabei wird der Quantentunneleffekt von Elektronen zwischen Atomen ausgenutzt, um die Anordnung der Atome auf der Oberfläche von Materie in Bildinformationen umzuwandeln.
Einführung
Die Transmissionselektronenmikroskopie ist nützlich, um die Gesamtstruktur einer Substanz zu beobachten, aber es ist schwieriger, die Oberflächenstruktur zu analysieren. Dies liegt daran, dass bei der Transmissionselektronenmikroskopie hochenergetischer Strom durch die Probe geleitet wird, um Informationen zu erhalten, die die internen Informationen der Probensubstanz widerspiegeln. Obwohl die Rasterelektronenmikroskopie (SEM) bestimmte Oberflächenbedingungen aufdecken kann, befindet sich die sogenannte „Oberfläche“, die analysiert wird, immer in einer bestimmten Tiefe, da einfallende Elektronen immer eine bestimmte Energiemenge haben und in das Innere der Probe eindringen, und die Flechtrate ist auch sehr begrenzt. Die Feldemissionselektronenmikroskopie (FEM) und die Feldionenmikroskopie (FIM) können gut für Oberflächenuntersuchungen verwendet werden, aber die Proben müssen speziell vorbereitet werden und können nur auf die Spitze einer sehr feinen Nadel gelegt werden, und die Proben müssen einem hohen elektrischen Feld standhalten können, was den Anwendungsbereich einschränkt.
Die Rastertunnelelektronenmikroskopie (RTM) arbeitet nach einem völlig anderen Prinzip. Sie erhält keine Informationen über das Probenmaterial durch die Einwirkung eines Elektronenstrahls auf die Probe (z. B. Transmissions- und Rasterelektronenmikroskope), noch untersucht sie das Probenmaterial, indem sie es durch die Bildung eines emittierten Stroms abbildet (z. B. Feldemissionselektronenmikroskope) mittels eines starken elektrischen Felds, das den Elektronen in der Probe mehr Energie gibt als die Ablösearbeit, sondern indem sie einen Tunnelstrom auf der Oberfläche der Probe erzeugt, der zur Abbildung der Oberfläche verwendet werden kann. Durch die Erkennung des Tunnelstroms auf der Oberfläche der Probe wird eine Abbildung erzeugt, um die Oberfläche der Probe zu untersuchen.
Prinzip
Das Rastertunnelmikroskop ist ein neuer Mikroskoptyp, der die Oberflächenmorphologie eines Festkörpers unterscheiden kann, indem er die Tunnelströme von Elektronen in den Atomen auf der Oberfläche des Festkörpers entsprechend dem Prinzip des Tunneleffekts in der Quantenmechanik erkennt.
Aufgrund des Tunneleffekts von Elektronen sind die Elektronen im Metall nicht vollständig innerhalb der Oberflächengrenze eingeschlossen, d. h. die Elektronendichte fällt an der Oberflächengrenze nicht plötzlich auf Null ab, sondern nimmt außerhalb der Oberfläche exponentiell ab; die Abklinglänge beträgt etwa 1 nm, was das Maß für den Elektronenaustritt aus der Oberflächenpotentialbarriere ist. Wenn sich zwei Metalle nahe beieinander befinden, können sich ihre Elektronenwolken überlappen; wenn zwischen den beiden Metallen eine kleine Spannung angelegt wird, kann zwischen ihnen ein Strom (ein sogenannter Tunnelstrom) beobachtet werden.
