Principe de la microscopie électronique à effet tunnel
Le microscope à effet tunnel (STM) est un instrument qui utilise l'effet tunnel dans la théorie quantique pour détecter la structure de surface des matériaux. Il utilise l'effet tunnel quantique des électrons entre les atomes pour convertir la disposition des atomes à la surface des matériaux en informations d'image. de.
Introduction
Le microscope électronique à transmission est très utile pour observer la structure globale de la substance, mais il est plus difficile dans l'analyse de la structure de surface, car le microscope électronique à transmission obtient des informations grâce à l'électricité à haute énergie à travers l'échantillon, reflétant la substance de l'échantillon. . informations privilégiées. Bien que la microscopie électronique à balayage (MEB) puisse révéler certaines conditions de surface, puisque les électrons incidents ont toujours une certaine énergie et vont pénétrer dans l'échantillon, la soi-disant "surface" analysée est toujours à une certaine profondeur, et le taux de dédoublement est également grandement affecté. limite. Bien que le microscope électronique à émission de champ (FEM) et le microscope ionique de champ (FIM) puissent être bien utilisés pour la recherche de surface, l'échantillon doit être spécialement préparé et ne peut être placé que sur une pointe d'aiguille très fine, et l'échantillon doit également être capable de résister champs électriques de haute intensité, de sorte qu'il limite son champ d'application.
Le microscope électronique à effet tunnel (STM) fonctionne sur un principe complètement différent, il n'obtient pas d'informations sur la substance de l'échantillon en agissant sur l'échantillon avec un faisceau d'électrons (comme les microscopes électroniques à transmission et à balayage), ni n'utilise un haut champ électrique pour que les électrons de l'échantillon gagnent plus qu'ils ne sortent L'imagerie par courant d'émission (telle qu'un microscope électronique à émission de champ) formée par l'énergie de travail peut être utilisée pour étudier le matériau de l'échantillon. Il est imagé en détectant le courant tunnel à la surface de l'échantillon, afin d'étudier la surface de l'échantillon.
principe
Le microscope à effet tunnel est un nouveau type d'appareil microscopique permettant de distinguer la morphologie de surface des solides en détectant le courant tunnel des électrons dans les atomes sur la surface solide selon le principe de l'effet tunnel en mécanique quantique.
En raison de l'effet tunnel des électrons, les électrons dans le métal ne sont pas complètement confinés à l'intérieur de la limite de surface, c'est-à-dire que la densité d'électrons ne tombe pas soudainement à zéro à la limite de surface, mais décroît de manière exponentielle à l'extérieur de la surface ; la longueur de désintégration est d'environ 1 nm, ce qui est une mesure de la barrière de surface permettant aux électrons de s'échapper. Si deux métaux sont très proches l'un de l'autre, leurs nuages d'électrons peuvent se chevaucher ; si une petite tension est appliquée entre les deux métaux, un courant électrique (appelé courant tunnel) entre eux peut être observé.
Manière de travailler
Bien que les configurations des microscopes électroniques à effet tunnel soient différentes, ils comprennent tous les trois parties principales suivantes : un système mécanique (corps miroir) qui entraîne la sonde pour effectuer des mouvements tridimensionnels par rapport à la surface de l'échantillon conducteur, et sert à contrôler et surveiller la sonde. Le système électronique pour la distance de l'échantillon et le système d'affichage pour convertir les données mesurées en images. Il a deux modes de fonctionnement : le mode courant constant et le mode haut constant.
Mode courant constant
Le courant tunnel est contrôlé et maintenu constant par un circuit de rétroaction électronique. Ensuite, le système informatique contrôle la pointe de l'aiguille pour balayer la surface de l'échantillon, c'est-à-dire pour faire bouger la pointe de l'aiguille de manière bidimensionnelle le long des directions x et y. Étant donné que le courant tunnel doit être contrôlé pour être constant, la hauteur locale entre la pointe de l'aiguille et la surface de l'échantillon restera également constante, de sorte que la pointe de l'aiguille effectuera les mêmes hauts et bas avec les hauts et les bas de la surface de l'échantillon, et les informations de hauteur seront reflétées en conséquence. sortir. C'est-à-dire que le microscope électronique à effet tunnel obtient les informations tridimensionnelles de la surface de l'échantillon. Cette méthode de travail permet d'obtenir des informations d'image complètes, des images microscopiques de haute qualité et est largement utilisée.
Mode hauteur constante
Gardez la hauteur absolue de la pointe de l'aiguille constante pendant le processus de numérisation de l'échantillon ; alors la distance locale entre la pointe de l'aiguille et la surface de l'échantillon changera, et la taille du courant tunnel I changera également en conséquence ; la variation du courant tunnel I est enregistrée par l'ordinateur et convertie en Le signal d'image est affiché, c'est-à-dire qu'une micrographie au microscope électronique à effet tunnel est obtenue. Cette méthode de travail ne convient qu'aux échantillons avec des surfaces relativement planes et des composants uniques.
