Principio de microscopía electrónica de efecto túnel
El microscopio de túnel de barrido (STM) es un instrumento que utiliza el efecto de túnel en la teoría cuántica para detectar la estructura de la superficie de los materiales. Utiliza el efecto túnel cuántico de los electrones entre los átomos para convertir la disposición de los átomos en la superficie de los materiales en información de imagen. de.
Introducción
El microscopio electrónico de transmisión es muy útil para observar la estructura general de la sustancia, pero es más difícil en el análisis de la estructura de la superficie, porque el microscopio electrónico de transmisión obtiene información a través de la electricidad de alta energía a través de la muestra, reflejando la sustancia de la muestra. . información interna. Aunque la microscopía electrónica de barrido (SEM) puede revelar ciertas condiciones de la superficie, dado que los electrones incidentes siempre tienen una cierta energía y penetrarán en la muestra, la llamada "superficie" analizada siempre está a una cierta profundidad, y la tasa de división también es Enormemente afectado. límite. Aunque el microscopio electrónico de emisión de campo (FEM) y el microscopio de iones de campo (FIM) pueden usarse bien para la investigación de superficies, la muestra debe prepararse especialmente y solo puede colocarse en una punta de aguja muy delgada, y la muestra también debe ser capaz de resistir campos eléctricos de alta intensidad, por lo que limita su ámbito de aplicación.
El microscopio electrónico de efecto túnel (STM) funciona con un principio completamente diferente, no obtiene información sobre la sustancia de la muestra actuando sobre la muestra con un haz de electrones (como los microscopios electrónicos de transmisión y de barrido), ni utiliza un alto campo eléctrico para hacer que los electrones en la muestra ganen más de lo que salen. La formación de imágenes de corriente de emisión (como el microscopio electrónico de emisión de campo) formada por la energía del trabajo se puede utilizar para estudiar el material de la muestra. Se obtiene una imagen detectando la corriente del túnel en la superficie de la muestra, para estudiar la superficie de la muestra.
principio
El microscopio de túnel de barrido es un nuevo tipo de dispositivo microscópico para distinguir la morfología de la superficie de los sólidos al detectar la corriente de túnel de los electrones en los átomos en la superficie sólida de acuerdo con el principio del efecto de túnel en la mecánica cuántica.
Debido al efecto túnel de los electrones, los electrones en el metal no están completamente confinados dentro del límite de la superficie, es decir, la densidad de electrones no cae repentinamente a cero en el límite de la superficie, sino que decae exponencialmente fuera de la superficie; la longitud de decaimiento es de aproximadamente 1 nm, que es una medida de la barrera superficial para que escapen los electrones. Si dos metales están muy cerca uno del otro, sus nubes de electrones pueden superponerse; si se aplica un pequeño voltaje entre los dos metales, se puede observar una corriente eléctrica (llamada corriente de efecto túnel) entre ellos.
Manera de trabajar
Aunque las configuraciones de los microscopios electrónicos de túnel de barrido son diferentes, todos incluyen las siguientes tres partes principales: un sistema mecánico (cuerpo del espejo) que impulsa la sonda para realizar movimientos tridimensionales en relación con la superficie de la muestra conductora y se utiliza para controlar y monitorear la sonda. El sistema electrónico para la distancia de la muestra y el sistema de visualización para convertir los datos medidos en imágenes. Tiene dos modos de trabajo: modo de corriente constante y modo alto constante.
Modo de corriente constante
La corriente de tunelización se controla y se mantiene constante mediante un circuito de retroalimentación electrónico. Luego, el sistema informático controla la punta de la aguja para escanear la superficie de la muestra, es decir, hacer que la punta de la aguja se mueva bidimensionalmente a lo largo de las direcciones x e y. Dado que la corriente del túnel debe controlarse para que sea constante, la altura local entre la punta de la aguja y la superficie de la muestra también permanecerá constante, por lo que la punta de la aguja realizará las mismas subidas y bajadas con las subidas y bajadas de la superficie de la muestra, y la información de altura se reflejará en consecuencia. salga. Es decir, el microscopio electrónico de efecto túnel obtiene la información tridimensional de la superficie de la muestra. Este método de trabajo obtiene información de imagen completa, imágenes microscópicas de alta calidad y es ampliamente utilizado.
Modo de altura constante
Mantenga constante la altura absoluta de la punta de la aguja durante el proceso de escaneo de la muestra; entonces cambiará la distancia local entre la punta de la aguja y la superficie de la muestra, y el tamaño de la corriente del túnel I también cambiará en consecuencia; el ordenador registra el cambio de la corriente del túnel I y lo convierte en La señal de la imagen se muestra, es decir, se obtiene una micrografía de microscopio electrónico de efecto túnel. Esta forma de trabajar solo es adecuada para muestras con superficies relativamente planas y componentes únicos.
