Pengantar Scanning Tunneling Electron Microscopy
Perkenalan
Mikroskop elektron transmisi sangat berguna dalam mengamati struktur keseluruhan zat, tetapi lebih sulit dalam analisis struktur permukaan, karena mikroskop elektron transmisi memperoleh informasi melalui listrik berenergi tinggi melalui sampel, mencerminkan zat sampel. . informasi orang dalam. Meskipun pemindaian mikroskop elektron (SEM) dapat mengungkapkan kondisi permukaan tertentu, karena elektron yang datang selalu memiliki energi tertentu dan akan menembus ke dalam sampel, yang disebut "permukaan" yang dianalisis selalu berada pada kedalaman tertentu, dan laju pemisahan juga sangat terpengaruh. membatasi. Meskipun Field Emission Electron Microscope (FEM) dan Field Ion Microscope (FIM) dapat digunakan dengan baik untuk penelitian permukaan, sampel harus disiapkan secara khusus dan hanya dapat ditempatkan pada ujung jarum yang sangat tipis, dan sampel juga harus dapat bertahan. medan listrik intensitas tinggi, sehingga membatasi ruang lingkup aplikasinya.
Scanning Tunneling Electron Microscope (STM) bekerja pada prinsip yang sama sekali berbeda, ia tidak memperoleh informasi tentang substansi sampel dengan bekerja pada sampel dengan berkas elektron (seperti mikroskop elektron transmisi dan pemindaian), juga tidak menggunakan tinggi medan listrik untuk membuat elektron dalam sampel memperoleh lebih banyak daripada yang keluar Pencitraan arus emisi (seperti mikroskop elektron emisi medan) yang dibentuk oleh energi kerja dapat digunakan untuk mempelajari bahan sampel. Itu dicitrakan dengan mendeteksi arus terowongan di permukaan sampel, sehingga dapat mempelajari permukaan sampel.
prinsip
Mikroskop tunneling pemindaian adalah jenis baru perangkat mikroskopis untuk membedakan morfologi permukaan padatan dengan mendeteksi arus tunneling elektron dalam atom pada permukaan padat sesuai dengan prinsip efek tunneling dalam mekanika kuantum.
Karena efek tunneling elektron, elektron dalam logam tidak sepenuhnya terkurung di dalam batas permukaan, yaitu kerapatan elektron tidak tiba-tiba turun menjadi nol pada batas permukaan, tetapi meluruh secara eksponensial di luar permukaan; panjang peluruhan adalah sekitar 1 nm, yang merupakan ukuran penghalang permukaan untuk melepaskan elektron. Jika dua logam sangat dekat satu sama lain, awan elektronnya mungkin tumpang tindih; jika tegangan kecil diterapkan di antara kedua logam, arus listrik (disebut arus tunneling) di antara keduanya dapat diamati.
Cara bekerja
Meskipun konfigurasi mikroskop elektron tunneling pemindaian berbeda, semuanya mencakup tiga bagian utama berikut: sistem mekanis (badan cermin) yang menggerakkan probe untuk membuat gerakan tiga dimensi relatif terhadap permukaan sampel konduktif, dan digunakan untuk mengontrol dan memantau probe. Sistem elektronik untuk jarak dari sampel dan sistem tampilan untuk mengubah data terukur menjadi gambar. Ini memiliki dua mode kerja: mode arus konstan dan mode tinggi konstan.
Mode arus konstan
Arus tunneling dikendalikan dan dijaga konstan oleh sirkuit umpan balik elektronik. Kemudian sistem komputer mengontrol ujung jarum untuk memindai permukaan sampel, yaitu membuat ujung jarum bergerak dua dimensi sepanjang arah x dan y. Karena arus terowongan perlu dikontrol agar konstan, ketinggian lokal antara ujung jarum dan permukaan sampel juga akan tetap konstan, sehingga ujung jarum akan melakukan naik turun yang sama dengan naik turunnya permukaan sampel, dan informasi ketinggian akan tercermin sesuai. keluar. Artinya, mikroskop elektron tunneling pemindaian memperoleh informasi tiga dimensi dari permukaan sampel. Metode kerja ini memperoleh informasi gambar yang komprehensif, gambar mikroskopis berkualitas tinggi, dan digunakan secara luas.
Mode ketinggian konstan
Pertahankan ketinggian mutlak ujung jarum tetap konstan selama proses pemindaian sampel; maka jarak lokal antara ujung jarum dan permukaan sampel akan berubah, dan ukuran arus terowongan I juga akan berubah; perubahan arus terowongan I direkam oleh komputer dan diubah menjadi Sinyal gambar ditampilkan, yaitu diperoleh mikrograf mikroskop elektron tunneling pemindaian. Cara kerja ini hanya cocok untuk sampel dengan permukaan yang relatif datar dan komponen tunggal.
aplikasi
Prinsip mikroskop tunneling adalah dengan cerdik menggunakan efek tunneling fisik dan arus tunneling. Ada sejumlah besar elektron "bebas" dalam badan logam, dan distribusi energi elektron "bebas" ini dalam badan logam terkonsentrasi di dekat tingkat Fermi, dan ada penghalang potensial dengan energi lebih tinggi dari tingkat Fermi pada batas logam. Oleh karena itu, dari perspektif fisika klasik, elektron "bebas" dalam logam, hanya elektron yang energinya lebih tinggi dari penghalang batas, yang dapat lepas dari bagian dalam logam ke luar. Namun, menurut prinsip mekanika kuantum, elektron bebas dalam logam juga memiliki sifat gelombang, dan ketika gelombang elektron ini merambat ke batas logam dan menemui penghalang permukaan, sebagian akan ditransmisikan. Artinya, beberapa elektron dengan energi lebih rendah dari penghalang potensial permukaan dapat menembus penghalang potensial permukaan logam dan membentuk "awan elektron" pada permukaan logam. Efek ini disebut tunneling. Jadi, ketika dua logam berada dalam jarak yang berdekatan (kurang dari beberapa nanometer), awan elektron dari kedua logam tersebut akan saling menembus. Ketika tegangan yang sesuai diterapkan, meskipun kedua logam tidak benar-benar bersentuhan, arus akan mengalir dari satu logam ke logam lainnya. Arus ini disebut arus terowongan.
Arus terowongan dan hambatan terowongan sangat sensitif terhadap perubahan celah terowongan. Bahkan perubahan 0.01nm di celah terowongan dapat menyebabkan perubahan signifikan pada arus terowongan.
Jika probe yang sangat tajam (seperti jarum tungsten) digunakan untuk memindai sejajar dengan permukaan dalam arah x dan y pada ketinggian beberapa persepuluh nanometer dari permukaan sampel yang halus, karena setiap atom memiliki ukuran tertentu, itu Celah terowongan tengah akan bervariasi dengan x dan y, dan arus terowongan yang mengalir melalui probe juga akan berbeda. Bahkan variasi ketinggian seperseratus nanometer dapat tercermin dalam arus tunneling. Perekam yang disinkronkan dengan probe pemindaian digunakan untuk merekam perubahan arus tunneling, dan gambar mikroskop elektron tunneling pemindaian dengan resolusi beberapa ratus nanometer dapat diperoleh.
