מבוא למיקרוסקופיה של מנהור סריקה
מבוא
מיקרוסקופ אלקטרוני ההולכה שימושי מאוד בהתבוננות במבנה הכללי של החומר, אך קשה יותר בניתוח של מבנה פני השטח, מכיוון שמיקרוסקופ אלקטרוני ההולכה משיג מידע באמצעות החשמל בעל האנרגיה הגבוהה דרך הדגימה, המשקף את החומר המדגם. . מידע פנימי. למרות שמיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת (SEM) יכולה לחשוף תנאי שטח מסוימים, מכיוון שלאלקטרונים המתרחשים תמיד יש אנרגיה מסוימת והם יחדרו לתוך המדגם, מה שנקרא "המשטח" המנותח הוא תמיד בעומק מסוים, וקצב הפיצול הוא גם מושפע מאוד. לְהַגבִּיל. למרות שניתן להשתמש היטב במיקרוסקופ אלקטרונים פליטת שדה (FEM) ובמיקרוסקופ יונים שדה (FIM) למחקר משטח, הדגימה חייבת להיות מוכנה במיוחד וניתן למקם אותה רק על קצה מחט דק מאוד, והדגימה חייבת גם להיות מסוגלת לעמוד שדות חשמליים בעוצמה גבוהה, כך שהוא מגביל את היקף היישום שלו.
מיקרוסקופ סריקת מנהור אלקטרוני (STM) פועל על עיקרון שונה לחלוטין, הוא אינו משיג מידע על חומר הדגימה על ידי פעולה על הדגימה באמצעות קרן אלקטרונים (כגון מיקרוסקופים של שידור וסריקת אלקטרונים), ואינו משתמש במיקרוסקופ גבוה שדה חשמלי כדי לגרום לאלקטרונים בדגימה להרוויח יותר מאשר לצאת החוצה ניתן להשתמש בהדמיית זרם הפליטה (כגון מיקרוסקופ פליטת אלקטרונים בשדה) שנוצר על ידי אנרגיית העבודה כדי לחקור את חומר הדגימה. הוא מצולם על ידי זיהוי זרם המנהרה על פני הדגימה, כדי לחקור את פני הדגימה.
עִקָרוֹן
מיקרוסקופ מנהור סורק הוא סוג חדש של מכשיר מיקרוסקופי להבחין במורפולוגיה של פני השטח של מוצקים על ידי זיהוי זרם המנהור של אלקטרונים באטומים על פני השטח המוצקים על פי עקרון אפקט המנהור במכניקת הקוונטים.
בשל השפעת המנהור של אלקטרונים, האלקטרונים במתכת אינם מוגבלים לחלוטין בתוך גבול פני השטח, כלומר, צפיפות האלקטרונים אינה יורדת לפתע לאפס בגבול פני השטח, אלא מתפוררת באופן אקספוננציאלי מחוץ לפני השטח; אורך ההתפרקות הוא בערך 1 ננומטר, שהוא מדד למחסום פני השטח לבריחה של אלקטרונים. אם שתי מתכות קרובות מאוד זו לזו, ענני האלקטרונים שלהן עלולים לחפוף; אם מתח קטן מופעל בין שתי המתכות, ניתן לראות זרם חשמלי (הנקרא זרם מנהור) ביניהן.
צורת עבודה
למרות שהתצורות של מיקרוסקופים סורקים מנהור אלקטרונים שונות, כולם כוללים את שלושת החלקים העיקריים הבאים: מערכת מכנית (גוף מראה) המניעה את הגשושית לבצע תנועות תלת מימדיות ביחס לפני השטח של הדגימה המוליכה, ומשמשת לשלוט ולפקח על הגשש. המערכת האלקטרונית למרחק מהמדגם ומערכת התצוגה להמרת הנתונים הנמדדים לתמונות. יש לו שני מצבי עבודה: מצב זרם קבוע ומצב גבוה קבוע.
מצב זרם קבוע
זרם המנהור נשלט ונשמר קבוע על ידי מעגל משוב אלקטרוני. לאחר מכן מערכת המחשב שולטת בקצה המחט כדי לסרוק את משטח הדגימה, כלומר לגרום לקצה המחט לנוע דו מימדי לאורך כיווני x ו-y. מכיוון שצריך לשלוט בזרם המנהרה כדי להיות קבוע, גם הגובה המקומי בין קצה המחט למשטח הדגימה יישאר קבוע, כך שקצה המחט יבצע את אותן עליות וירידות עם העליות והמורדות של משטח הדגימה, וכן מידע הגובה ישתקף בהתאם. צא. כלומר, מיקרוסקופ המנהור האלקטרוני הסורק משיג את המידע התלת מימדי של משטח המדגם. שיטת עבודה זו משיגה מידע תמונה מקיף, תמונות מיקרוסקופיות באיכות גבוהה ונמצאת בשימוש נרחב.
מצב גובה קבוע
שמור על הגובה המוחלט של קצה המחט קבוע במהלך תהליך הסריקה של המדגם; אז ישתנה המרחק המקומי בין קצה המחט למשטח הדגימה, וגם גודל זרם המנהרה I ישתנה בהתאם; השינוי של זרם המנהרה I מתועד על ידי המחשב ומומר לאות התמונה מוצג, כלומר, מתקבל מיקרוסקופ מנהור אלקטרוני סורק. דרך עבודה זו מתאימה רק לדוגמאות עם משטחים שטוחים יחסית ורכיבים בודדים.
יישום
העיקרון של מיקרוסקופ המנהור הוא להשתמש בחוכמה באפקט המנהור הפיזי ובזרם המנהור. יש מספר רב של אלקטרונים "חופשיים" בגוף המתכת, וחלוקת האנרגיה של אלקטרונים "חופשיים" אלו בגוף המתכת מרוכזת ליד רמת הפרמי, ויש מחסום פוטנציאלי עם אנרגיה גבוהה מרמת הפרמי על גבול המתכת. לכן, מנקודת המבט של הפיזיקה הקלאסית, אלקטרונים "חופשיים" במתכת, רק אותם אלקטרונים שהאנרגיה שלהם גבוהה ממחסום הגבול, יכולים להימלט מבפנים המתכת אל החוץ. עם זאת, על פי עקרונות מכניקת הקוונטים, לאלקטרונים חופשיים במתכות יש גם תכונות גל, וכאשר גל אלקטרוני זה מתפשט לגבול המתכת ונתקל במחסום פני השטח, חלק ממנו יועבר. כלומר, כמה אלקטרונים בעלי אנרגיה נמוכה ממחסום הפוטנציאל של פני השטח יכולים לחדור את מחסום הפוטנציאל של פני המתכת וליצור "ענן אלקטרונים" על פני המתכת. אפקט זה נקרא מנהור. לכן, כאשר שתי מתכות נמצאות בסמיכות (פחות מכמה ננומטרים), ענני האלקטרונים של שתי המתכות יחדרו זה לזה. כאשר מופעל מתח מתאים, גם אם שתי המתכות אינן ממש במגע, יזרום זרם ממתכת אחת לאחרת. זרם זה נקרא זרם מנהרה.
זרם המנהרה והתנגדות המנהרה רגישים מאוד לשינויים בפער המנהרה. אפילו שינוי של 0.01nm במרווח המנהרה יכול לגרום לשינויים משמעותיים בזרם המנהרה.
אם משתמשים בבדיקה חדה מאוד (כגון מחט טונגסטן) כדי לסרוק במקביל למשטח בכיווני x ו-y בגובה של כמה עשיריות ננומטרים משטח הדגימה החלק, מכיוון שלכל אטום יש גודל מסוים, פער המנהרה האמצעית ישתנה עם x ו-y, וגם זרם המנהרה הזורם דרך הגשושית יהיה שונה. אפילו שינויים בגובה של כמה מאיות ננומטר יכולות להשתקף בזרמי מנהור. מקליט המסונכרן עם הגשש הסריקה משמש לרישום השינויים בזרם המנהור, וניתן לקבל תמונת מיקרוסקופ מנהור אלקטרוני סורק ברזולוציה של כמה מאיות של ננומטר.
