주사 터널링 전자 현미경 소개
소개
투과전자현미경은 물질의 전체적인 구조를 관찰하는데 매우 유용하지만, 표면구조 분석은 시료를 통한 고에너지 전기를 통해 정보를 얻기 때문에 시료 물질이 반사되어 반사되기 때문에 더욱 어렵다. . 내부 정보. 주사전자현미경(SEM)이 특정 표면 상태를 밝힐 수 있지만, 입사 전자는 항상 특정 에너지를 가지며 시료에 침투하기 때문에 분석된 소위 "표면"은 항상 특정 깊이에 있으며 분할 속도도 크게 영향을 받음. 한계. FEM(Field Emission Electron Microscope) 및 FIM(Field Ion Microscope)은 표면 연구에 잘 사용될 수 있지만 샘플은 특별히 준비되어야 하고 매우 얇은 바늘 끝에만 놓을 수 있어야 하며 샘플도 견딜 수 있어야 합니다. 고강도 전기장이므로 적용 범위가 제한됩니다.
주사 터널링 전자 현미경(STM)은 완전히 다른 원리로 작동하며, 전자빔(투과 및 주사 전자 현미경과 같은)으로 시료에 작용하여 시료의 물질에 대한 정보를 얻지 않으며, 샘플의 전자가 나오는 것보다 더 많은 이득을 얻도록 하는 전기장 작업 에너지에 의해 형성된 방출 전류 이미징(예: 전계 방출 전자 현미경)을 사용하여 샘플 재료를 연구할 수 있습니다. 샘플 표면을 연구하기 위해 샘플 표면의 터널 전류를 감지하여 이미지화합니다.
원칙
주사터널링현미경은 양자역학의 터널링 효과 원리에 따라 고체 표면의 원자에서 전자의 터널링 전류를 검출하여 고체의 표면 형태를 구별하는 새로운 유형의 현미경 장치입니다.
전자의 터널링 효과로 인해 금속의 전자는 표면 경계 내에 완전히 구속되지 않습니다. 감쇠 길이는 약 1nm이며 전자가 탈출하는 표면 장벽의 척도입니다. 두 금속이 서로 매우 가까우면 전자 구름이 겹칠 수 있습니다. 두 금속 사이에 작은 전압이 가해지면 두 금속 사이에 전류(터널링 전류라고 함)가 관찰될 수 있습니다.
일하는 방식
주사 터널링 전자 현미경의 구성은 다르지만 모두 다음 세 가지 주요 부분을 포함합니다. 프로브를 구동하여 전도성 샘플의 표면에 대해 3차원 이동을 수행하고 프로브를 제어하고 모니터링합니다. 시료와의 거리를 측정하는 전자 시스템과 측정된 데이터를 이미지로 변환하는 디스플레이 시스템. 정전류 모드와 정전류 모드의 두 가지 작동 모드가 있습니다.
정전류 모드
터널링 전류는 전자 피드백 회로에 의해 제어되고 일정하게 유지됩니다. 그런 다음 컴퓨터 시스템은 바늘 끝이 샘플 표면을 스캔하도록 제어합니다. 즉, 바늘 끝이 x 및 y 방향을 따라 2차원적으로 움직이도록 합니다. 터널 전류를 일정하게 제어해야 하므로 바늘 끝과 시료 표면 사이의 국부 높이도 일정하게 유지되므로 바늘 끝은 시료 표면의 기복과 동일한 기복을 수행하고, 그에 따라 높이 정보가 반영됩니다. 나오다. 즉, 주사 터널링 전자 현미경은 시료 표면의 3차원 정보를 얻습니다. 이 작업 방식은 포괄적인 이미지 정보, 고품질의 현미경 이미지를 획득하며 널리 사용됩니다.
고정 높이 모드
샘플을 스캔하는 동안 바늘 끝의 절대 높이를 일정하게 유지하십시오. 그러면 바늘 끝과 샘플 표면 사이의 로컬 거리가 변경되고 그에 따라 터널 전류 I의 크기도 변경됩니다. 터널 전류 I의 변화는 컴퓨터에 의해 기록되고 이미지 신호가 표시됩니다. 즉, 주사 터널링 전자 현미경 사진이 얻어집니다. 이 작업 방식은 상대적으로 평평한 표면과 단일 구성 요소가 있는 샘플에만 적합합니다.
애플리케이션
터널링 현미경의 원리는 물리적인 터널링 효과와 터널링 전류를 교묘하게 이용하는 것입니다. 금속체에는 많은 수의 "자유" 전자가 있고, 금속체 내의 이러한 "자유" 전자의 에너지 분포는 페르미 준위 근처에 집중되어 있으며, 그 위에는 페르미 준위보다 높은 에너지를 가진 포텐셜 장벽이 존재한다. 금속 경계. 따라서 고전 물리학의 관점에서 금속의 "자유" 전자, 경계 장벽보다 높은 에너지를 가진 전자만이 금속 내부에서 외부로 빠져나갈 수 있습니다. 그러나 양자역학의 원리에 따르면 금속 속의 자유전자도 파동의 성질을 갖고 있으며, 이 전자파가 금속 경계까지 전파되어 표면장벽을 만나면 일부가 투과하게 된다. 즉, 표면 전위 장벽보다 낮은 에너지를 가진 일부 전자는 금속 표면 전위 장벽을 통과하여 금속 표면에 "전자 구름"을 형성할 수 있습니다. 이 효과를 터널링이라고 합니다. 따라서 두 금속이 근접(수 나노미터 미만)하면 두 금속의 전자 구름이 서로를 관통합니다. 적절한 전압이 가해지면 두 금속이 실제로 접촉하지 않더라도 한 금속에서 다른 금속으로 전류가 흐릅니다. 이 전류를 터널 전류라고 합니다.
터널 전류와 터널 저항은 터널 간격의 변화에 매우 민감합니다. 터널 간격에서 0.01nm의 변화도 터널 전류에 상당한 변화를 일으킬 수 있습니다.
매우 날카로운 탐침(예: 텅스텐 바늘)을 사용하여 매끄러운 샘플 표면에서 수십 나노미터 떨어진 높이에서 x 및 y 방향으로 표면에 평행하게 스캔하면 각 원자는 특정 크기를 가지므로 중간 터널 간격은 x와 y에 따라 달라지며 프로브를 통해 흐르는 터널 전류도 달라집니다. 100분의 1나노미터의 높이 변화도 터널링 전류에 반영될 수 있습니다. 스캐닝 프로브와 동기화된 레코더를 사용하여 터널링 전류의 변화를 기록하고 수백분의 1 나노미터 해상도의 스캐닝 터널링 전자현미경 이미지를 얻을 수 있습니다.
