Introdução à Microscopia Eletrônica de Tunelamento de Varredura
Introdução
O microscópio eletrônico de transmissão é muito útil na observação da estrutura geral da substância, mas é mais difícil na análise da estrutura da superfície, porque o microscópio eletrônico de transmissão obtém informações através da eletricidade de alta energia através da amostra, refletindo a substância da amostra . informação privilegiada. Embora a microscopia eletrônica de varredura (SEM) possa revelar certas condições de superfície, uma vez que os elétrons incidentes sempre têm uma certa energia e irão penetrar na amostra, a chamada "superfície" analisada está sempre em uma certa profundidade, e a taxa de divisão também é muito afetado. limite. Embora o Microscópio Eletrônico de Emissão de Campo (FEM) e o Microscópio de Íon de Campo (FIM) possam ser bem usados para pesquisa de superfície, a amostra deve ser especialmente preparada e só pode ser colocada em uma ponta de agulha muito fina, e a amostra também deve ser capaz de suportar campos elétricos de alta intensidade, de modo que limita seu escopo de aplicação.
O microscópio eletrônico de tunelamento de varredura (STM) funciona com um princípio completamente diferente, ele não obtém informações sobre a substância da amostra atuando na amostra com um feixe de elétrons (como microscópios eletrônicos de transmissão e varredura), nem usa um alto campo elétrico para fazer os elétrons na amostra ganhar mais do que sair A imagem de corrente de emissão (como microscópio eletrônico de emissão de campo) formada pela energia do trabalho pode ser usada para estudar o material da amostra. É visualizado detectando a corrente do túnel na superfície da amostra, de modo a estudar a superfície da amostra.
princípio
O microscópio de tunelamento de varredura é um novo tipo de dispositivo microscópico para distinguir a morfologia da superfície de sólidos, detectando a corrente de tunelamento de elétrons em átomos na superfície sólida de acordo com o princípio do efeito de tunelamento na mecânica quântica.
Devido ao efeito de tunelamento dos elétrons, os elétrons no metal não estão completamente confinados dentro do limite da superfície, ou seja, a densidade dos elétrons não cai repentinamente para zero no limite da superfície, mas decai exponencialmente fora da superfície; o comprimento de decaimento é de cerca de 1 nm, que é uma medida da barreira de superfície para os elétrons escaparem. Se dois metais estiverem muito próximos um do outro, suas nuvens de elétrons podem se sobrepor; se uma pequena voltagem for aplicada entre os dois metais, uma corrente elétrica (chamada corrente de tunelamento) pode ser observada entre eles.
maneira de trabalhar
Embora as configurações dos microscópios eletrônicos de tunelamento sejam diferentes, todas incluem as três partes principais a seguir: um sistema mecânico (corpo do espelho) que aciona a sonda para fazer movimentos tridimensionais em relação à superfície da amostra condutora e é usado para controlar e monitorar a sonda. O sistema eletrônico para a distância da amostra e o sistema de exibição para converter os dados medidos em imagens. Possui dois modos de trabalho: modo de corrente constante e modo alto constante.
Modo de corrente constante
A corrente de tunelamento é controlada e mantida constante por um circuito eletrônico de realimentação. Em seguida, o sistema de computador controla a ponta da agulha para digitalizar a superfície da amostra, ou seja, para fazer a ponta da agulha se mover bidimensionalmente ao longo das direções x e y. Como a corrente do túnel precisa ser controlada para ser constante, a altura local entre a ponta da agulha e a superfície da amostra também permanecerá constante, de modo que a ponta da agulha realizará as mesmas subidas e descidas com as subidas e descidas da superfície da amostra, e as informações de altura serão refletidas de acordo. sair. Ou seja, o microscópio eletrônico de tunelamento de varredura obtém a informação tridimensional da superfície da amostra. Este método de trabalho obtém informações de imagem abrangentes, imagens microscópicas de alta qualidade e é amplamente utilizado.
Modo de altura constante
Manter a altura absoluta da ponta da agulha constante durante o escaneamento da amostra; então a distância local entre a ponta da agulha e a superfície da amostra mudará, e o tamanho da corrente do túnel I também mudará de acordo; a mudança da corrente de túnel I é registrada pelo computador e convertida em O sinal de imagem é exibido, ou seja, uma micrografia de microscópio eletrônico de tunelamento de varredura é obtida. Esta forma de trabalhar é adequada apenas para amostras com superfícies relativamente planas e componentes únicos.
aplicativo
O princípio do microscópio de tunelamento é usar de forma inteligente o efeito de tunelamento físico e a corrente de tunelamento. Há um grande número de elétrons "livres" no corpo metálico, e a distribuição de energia desses elétrons "livres" no corpo metálico está concentrada próximo ao nível de Fermi, e há uma barreira de potencial com energia maior que o nível de Fermi em a fronteira metálica. Portanto, do ponto de vista da física clássica, os elétrons "livres" em um metal, apenas aqueles elétrons cuja energia é maior que a barreira de contorno, podem escapar do interior do metal para o exterior. No entanto, de acordo com os princípios da mecânica quântica, os elétrons livres nos metais também possuem propriedades ondulatórias e, quando essa onda de elétrons se propaga até o limite do metal e encontra uma barreira de superfície, parte dela será transmitida. Ou seja, alguns elétrons com energia menor que a barreira de potencial da superfície podem penetrar na barreira de potencial da superfície do metal e formar uma "nuvem de elétrons" na superfície do metal. Este efeito é chamado de tunelamento. Assim, quando dois metais estão muito próximos (menos de alguns nanômetros), as nuvens de elétrons dos dois metais penetram uma na outra. Quando uma voltagem apropriada é aplicada, mesmo que os dois metais não estejam realmente em contato, uma corrente fluirá de um metal para outro. Essa corrente é chamada de corrente de túnel.
A corrente do túnel e a resistência do túnel são muito sensíveis a mudanças no vão do túnel. Mesmo uma mudança de 0.01nm no intervalo do túnel pode causar mudanças significativas na corrente do túnel.
Se uma sonda muito afiada (como uma agulha de tungstênio) for usada para escanear paralelamente à superfície nas direções x e y a uma altura de alguns décimos de nanômetros de distância da superfície lisa da amostra, uma vez que cada átomo tem um determinado tamanho, A lacuna do túnel intermediário variará com x e y, e a corrente do túnel que flui através da sonda também será diferente. Mesmo variações de altura de alguns centésimos de nanômetro podem ser refletidas nas correntes de tunelamento. Um gravador sincronizado com a sonda de varredura é usado para registrar as mudanças da corrente de tunelamento, e uma imagem do microscópio eletrônico de tunelamento com resolução de alguns centésimos de nanômetros pode ser obtida.
