走査トンネル電子顕微鏡の紹介

走査トンネル電子顕微鏡の紹介

走査トンネル電子顕微鏡（STM）は、量子論におけるトンネル効果を利用して物質の表面の構造を調べる装置の一種であり、原子間の電子の量子トンネル効果を利用して物質の表面の原子の配列を画像情報に変換します。

導入

透過型電子顕微鏡は、物質の全体的な構造を観察するのに便利ですが、表面構造を分析するのはより困難です。これは、透過型電子顕微鏡が、サンプルを通過する高エネルギーの電気から情報を取得し、サンプル物質の内部情報を反映するからです。走査型電子顕微鏡 (SEM) は特定の表面状態を明らかにすることができますが、入射電子は常に一定量のエネルギーを持ち、サンプルの内部に浸透し、編組速度も非常に限られているため、分析されるいわゆる「表面」は常に一定の深さにあります。電界放出電子顕微鏡 (FEM) と電界イオン顕微鏡 (FIM) は表面研究によく使用できますが、サンプルを特別に準備する必要があり、非常に細い針の先端にしか置くことができず、サンプルは高電界に耐えることができなければならないため、その適用範囲が制限されます。

走査型トンネル電子顕微鏡 (STM) は、まったく異なる原理で機能します。サンプルに対する電子ビームの作用によってサンプル材料に関する情報を取得するのではなく (透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡など)、サンプル内の電子に分離作業よりも多くのエネルギーを与える高電界によって放出電流を形成することでサンプル材料を画像化することでサンプル材料を研究するのではなく (電界放出型電子顕微鏡など)、サンプルの表面のトンネル電流をプローブすることで表面の画像化に使用できます。サンプルの表面を調べるには、サンプルの表面のトンネル電流を検出して画像化します。

原理

走査型トンネル顕微鏡は、量子力学のトンネル効果の原理に従って、固体表面の原子内の電子のトンネル電流を検出することにより、固体の表面形態を判別できる新しいタイプの顕微鏡です。

電子のトンネル効果により、金属内の電子は表面境界内に完全に閉じ込められるわけではありません。つまり、電子密度は表面境界で突然ゼロに低下するのではなく、表面の外側で指数関数的に減少します。減衰長は約 1 nm で、これは表面電位障壁からの電子の脱出の尺度です。2 つの金属が互いに近い場合、それらの電子雲が重なり合うことがあります。2 つの金属間に小さな電圧をかけると、それらの金属間に電流 (トンネル電流と呼ばれる) が観測されます。