รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับการสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบอุโมงค์
การแนะนำ
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านมีประโยชน์อย่างมากในการสังเกตโครงสร้างโดยรวมของสาร แต่การวิเคราะห์โครงสร้างพื้นผิวจะยากกว่า เนื่องจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านจะรับข้อมูลผ่านกระแสไฟฟ้าพลังงานสูงผ่านตัวอย่าง ซึ่งสะท้อนสารตัวอย่าง . ข้อมูลภายใน แม้ว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) สามารถเปิดเผยสภาพพื้นผิวบางอย่างได้ เนื่องจากอิเล็กตรอนที่ตกกระทบมีพลังงานจำนวนหนึ่งเสมอและจะเจาะเข้าไปในตัวอย่าง สิ่งที่เรียกว่า "พื้นผิว" ที่วิเคราะห์จะอยู่ที่ความลึกระดับหนึ่งเสมอ และอัตราการแยกก็เช่นกัน ได้รับผลกระทบอย่างมาก จำกัด แม้ว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบปล่อยประจุภาคสนาม (FEM) และกล้องจุลทรรศน์ไอออนแบบภาคสนาม (FIM) สามารถใช้ได้ดีในการวิจัยพื้นผิว แต่ตัวอย่างต้องได้รับการเตรียมเป็นพิเศษและสามารถวางบนปลายเข็มที่บางมากเท่านั้น และตัวอย่างต้องสามารถทนต่อ สนามไฟฟ้าความเข้มสูง เพื่อจำกัดขอบเขตการใช้งาน
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (STM) ทำงานบนหลักการที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ไม่ได้รับข้อมูลเกี่ยวกับสารในตัวอย่างโดยการแสดงลำแสงอิเล็กตรอนกับตัวอย่าง (เช่น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านและแบบส่องกราด) และไม่ใช้ความแม่นยำสูง สนามไฟฟ้าเพื่อทำให้อิเล็กตรอนในตัวอย่างได้รับมากกว่าที่ออกมา การถ่ายภาพกระแสปล่อย (เช่น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบปล่อยสนาม) ที่เกิดขึ้นจากพลังงานของงานสามารถใช้เพื่อศึกษาวัสดุตัวอย่างได้ เป็นการถ่ายภาพโดยการตรวจจับกระแสอุโมงค์บนพื้นผิวของตัวอย่าง เพื่อศึกษาพื้นผิวของตัวอย่าง
หลักการ
กล้องจุลทรรศน์อุโมงค์แบบส่องกราดเป็นอุปกรณ์จุลทรรศน์ชนิดใหม่ที่ใช้แยกแยะลักษณะทางสัณฐานวิทยาของพื้นผิวของของแข็งโดยการตรวจจับกระแสไฟฟ้าในอุโมงค์ของอิเล็กตรอนในอะตอมบนพื้นผิวของแข็งตามหลักการของเอฟเฟกต์อุโมงค์ในกลศาสตร์ควอนตัม
เนื่องจากผลกระทบของอิเล็กตรอนในทันเนล อิเล็กตรอนในโลหะจึงไม่ถูกจำกัดอยู่ภายในขอบเขตพื้นผิวอย่างสมบูรณ์ นั่นคือ ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนจะไม่ลดลงเป็นศูนย์ในทันทีที่ขอบเขตพื้นผิว แต่จะสลายตัวแบบทวีคูณนอกพื้นผิว ความยาวของการสลายตัวคือประมาณ 1 นาโนเมตร ซึ่งเป็นการวัดสิ่งกีดขวางพื้นผิวสำหรับอิเล็กตรอนที่จะหลบหนี ถ้าโลหะสองชนิดอยู่ใกล้กันมาก เมฆอิเล็กตรอนของพวกมันอาจซ้อนทับกัน หากมีการใช้แรงดันไฟฟ้าเล็กน้อยระหว่างโลหะทั้งสอง จะสามารถสังเกตกระแสไฟฟ้า (เรียกว่ากระแสอุโมงค์) ระหว่างโลหะทั้งสองได้
วิธีการทำงาน
แม้ว่าการกำหนดค่าของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดในทันเนลจะแตกต่างกัน แต่ทั้งหมดประกอบด้วยส่วนหลักสามส่วนต่อไปนี้: ระบบกลไก (ตัวกระจก) ที่ขับเคลื่อนโพรบให้มีการเคลื่อนไหวสามมิติโดยสัมพันธ์กับพื้นผิวของตัวอย่างที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า และใช้เพื่อ ควบคุมและตรวจสอบโพรบ ระบบอิเล็กทรอนิกส์สำหรับระยะห่างจากตัวอย่างและระบบแสดงผลสำหรับการแปลงข้อมูลที่วัดได้เป็นรูปภาพ มีสองโหมดการทำงาน: โหมดกระแสคงที่และโหมดสูงคงที่
โหมดกระแสคงที่
กระแสไฟในอุโมงค์ถูกควบคุมและรักษาให้คงที่โดยวงจรป้อนกลับแบบอิเล็กทรอนิกส์ จากนั้นระบบคอมพิวเตอร์จะควบคุมปลายเข็มเพื่อสแกนบนพื้นผิวตัวอย่าง นั่นคือทำให้ปลายเข็มเคลื่อนที่แบบสองมิติไปตามทิศทาง x และ y เนื่องจากกระแสของอุโมงค์จำเป็นต้องควบคุมให้คงที่ ความสูงระหว่างปลายเข็มและพื้นผิวตัวอย่างจะยังคงที่ ดังนั้นปลายเข็มจะดำเนินการขึ้นและลงเช่นเดียวกันกับการขึ้นและลงของพื้นผิวตัวอย่าง และ ข้อมูลความสูงจะสะท้อนให้เห็นตามนั้น ออกมา กล่าวคือ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดอุโมงค์จะได้รับข้อมูลสามมิติของพื้นผิวตัวอย่าง วิธีการทำงานนี้ได้รับข้อมูลภาพที่ครอบคลุม ภาพไมโครสโคปคุณภาพสูง และใช้กันอย่างแพร่หลาย
โหมดความสูงคงที่
รักษาความสูงสัมบูรณ์ของปลายเข็มให้คงที่ในระหว่างขั้นตอนการสแกนตัวอย่าง จากนั้นระยะห่างระหว่างปลายเข็มกับพื้นผิวตัวอย่างจะเปลี่ยนไป และขนาดของกระแสอุโมงค์ I ก็จะเปลี่ยนตามไปด้วย การเปลี่ยนแปลงของกระแสอุโมงค์ I ถูกบันทึกโดยคอมพิวเตอร์และแปลงเป็นสัญญาณภาพปรากฏขึ้น นั่นคือ ได้รับไมโครกราฟของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดในอุโมงค์ วิธีการทำงานนี้เหมาะสำหรับตัวอย่างที่มีพื้นผิวเรียบและมีส่วนประกอบชิ้นเดียวเท่านั้น
แอปพลิเคชัน
หลักการของกล้องจุลทรรศน์การขุดอุโมงค์คือการใช้เอฟเฟกต์การขุดอุโมงค์ทางกายภาพและกระแสการขุดอุโมงค์อย่างชาญฉลาด มีอิเล็กตรอน "อิสระ" จำนวนมากในตัวโลหะ และการกระจายพลังงานของอิเล็กตรอน "อิสระ" เหล่านี้ในตัวโลหะนั้นกระจุกตัวใกล้กับระดับแฟร์มี และมีสิ่งกีดขวางที่มีศักยภาพซึ่งมีพลังงานสูงกว่าระดับแฟร์มีบน ขอบโลหะ ดังนั้นจากมุมมองของฟิสิกส์คลาสสิก อิเล็กตรอน "อิสระ" ในโลหะ มีเพียงอิเล็กตรอนที่มีพลังงานสูงกว่าสิ่งกีดขวางเท่านั้นที่สามารถหนีจากด้านในของโลหะไปด้านนอกได้ อย่างไรก็ตาม ตามหลักการของกลศาสตร์ควอนตัม อิเล็กตรอนอิสระในโลหะก็มีคุณสมบัติเป็นคลื่นเช่นกัน และเมื่อคลื่นอิเล็กตรอนนี้แพร่กระจายไปยังขอบเขตของโลหะและพบกับสิ่งกีดขวางที่พื้นผิว ส่วนหนึ่งของมันจะถูกส่งผ่าน กล่าวคือ อิเล็กตรอนบางตัวที่มีพลังงานต่ำกว่าสิ่งกีดขวางศักย์ที่พื้นผิวสามารถทะลุผ่านสิ่งกีดขวางศักย์ที่พื้นผิวโลหะและก่อตัวเป็น "เมฆอิเล็กตรอน" บนพื้นผิวโลหะ เอฟเฟกต์นี้เรียกว่าการขุดอุโมงค์ ดังนั้น เมื่อโลหะสองชนิดอยู่ใกล้กัน (น้อยกว่าสองสามนาโนเมตร) เมฆอิเล็กตรอนของโลหะทั้งสองจะทะลุผ่านกัน เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสม แม้ว่าโลหะทั้งสองจะไม่สัมผัสกันจริงๆ กระแสจะไหลจากโลหะหนึ่งไปยังอีกโลหะหนึ่ง กระแสนี้เรียกว่ากระแสอุโมงค์
กระแสในอุโมงค์และความต้านทานในอุโมงค์มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของช่องว่างในอุโมงค์ แม้แต่การเปลี่ยนแปลงของ 0.01nm ในช่องว่างของอุโมงค์ก็อาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในกระแสของอุโมงค์ได้
หากใช้โพรบที่มีความคมมาก (เช่น เข็มทังสเตน) เพื่อสแกนขนานกับพื้นผิวในทิศทาง x และ y ที่ความสูงไม่กี่สิบนาโนเมตรห่างจากพื้นผิวตัวอย่างที่เรียบ เนื่องจากแต่ละอะตอมมีขนาดที่แน่นอน ช่องว่างกลางอุโมงค์จะแปรผันตาม x และ y และกระแสในอุโมงค์ที่ไหลผ่านโพรบก็จะแตกต่างกันด้วย แม้แต่การเปลี่ยนแปลงความสูงเพียงไม่กี่ในร้อยของนาโนเมตรก็สามารถสะท้อนให้เห็นในกระแสน้ำในอุโมงค์ได้ เครื่องบันทึกที่ซิงโครไนซ์กับโพรบการสแกนใช้เพื่อบันทึกการเปลี่ยนแปลงของกระแสอุโมงค์ และสามารถรับภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดที่มีความละเอียดไม่กี่ร้อยนาโนเมตร
