走査型トンネル電子顕微鏡の概要
序章
透過型電子顕微鏡は、物質の全体構造を観察するのに非常に役立ちますが、表面構造の分析は、サンプルに高エネルギーの電気を通して情報を取得し、サンプル物質を反射するため、より困難です。 。 内部情報。 走査型電子顕微鏡 (SEM) では特定の表面状態を明らかにすることができますが、入射電子は常に特定のエネルギーを持っており、サンプルに侵入するため、分析されるいわゆる「表面」は常に特定の深さにあり、分割率も異なります。大きく影響を受けます。 限界。 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、サンプルは特別に準備する必要があり、非常に細い針先にのみ配置でき、またサンプルは耐久性も必要です。高強度の電場のため、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動作し、電子ビーム (透過電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡など) をサンプルに作用させてサンプルの物質に関する情報を取得したり、高感度の電子顕微鏡を使用したりすることはありません。サンプル内の電子が外に出るよりも多くなるようにする電場。仕事エネルギーによって形成される放出電流イメージング (電界放出電子顕微鏡など) を使用して、サンプル材料を研究できます。 サンプルの表面を研究するために、サンプルの表面のトンネル電流を検出することによって画像化されます。
原理
走査トンネル顕微鏡は、量子力学のトンネル効果の原理に基づいて、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、固体の表面形態を識別する新しいタイプの顕微鏡装置です。
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は閉じ込められません。つまり、電子の密度は表面境界で突然ゼロに低下せず、表面の外側では指数関数的に減衰します。 減衰長は約 1nm で、これは電子が逃げるための表面障壁の尺度です。 2 つの金属が互いに非常に近い場合、それらの電子雲が重なることがあります。 2 つの金属間に小さな電圧を印加すると、それらの間に電流 (トンネル電流と呼ばれます) が観察されます。
作業の方法
走査トンネル電子顕微鏡の構成は異なりますが、いずれも次の 3 つの主要な部分で構成されています。 プローブを駆動して導電性試料の表面に対して 3 次元運動をさせる機械システム (ミラー本体)。プローブを制御および監視します。 サンプルからの距離を電子的に測定するシステムと、測定データを画像に変換する表示システム。 定電流モードと定高モードの 2 つの動作モードがあります。
定電流モード
トンネル電流は電子フィードバック回路によって制御され、一定に保たれます。 次に、コンピュータ システムは針先を制御してサンプル表面を走査します。つまり、針先を x 方向と y 方向に沿って 2 次元的に移動させます。 トンネル電流は一定になるように制御する必要があるため、針先とサンプル表面の間の局所的な高さも一定に保たれ、針先もサンプル表面の浮き沈みと同じように浮き沈みを行います。高さ情報もそれに応じて反映されます。 出てくる。 つまり、走査型トンネル電子顕微鏡は試料表面の三次元情報を取得するものである。 この加工方法は、包括的な画像情報、高品質の顕微鏡画像を取得し、広く使用されています。
高さ一定モード
サンプルのスキャンプロセス中、針先の絶対高さを一定に保ちます。 すると、針先とサンプル表面の間の局所的な距離が変化し、それに応じてトンネル電流 I のサイズも変化します。 トンネル電流 I の変化はコンピュータによって記録され、画像信号に変換されて表示されます。つまり、走査型トンネル電子顕微鏡写真が得られます。 この作業方法は、比較的平らな表面と単一のコンポーネントを持つサンプルにのみ適しています。
応用
トンネル顕微鏡の原理は、物理的なトンネル効果とトンネル電流をうまく利用することです。 金属体内には多数の「自由」電子が存在し、金属体内のこれら「自由」電子のエネルギー分布はフェルミ準位付近に集中しており、金属体内にはフェルミ準位よりも高いエネルギーを持つポテンシャル障壁が存在します。金属の境界線。 したがって、古典物理学の観点からは、金属内の「自由」電子、つまり境界障壁よりも高いエネルギーを持つ電子だけが、金属の内部から外部に逃げることができます。 しかし、量子力学の原理によれば、金属中の自由電子にも波の性質があり、この電子の波が金属の境界まで伝播して表面障壁に遭遇すると、その一部が透過されてしまいます。 つまり、表面ポテンシャル障壁よりも低いエネルギーを持つ一部の電子は、金属表面ポテンシャル障壁を突き抜けて、金属表面上に「電子雲」を形成する可能性があります。 この効果はトンネリングと呼ばれます。 したがって、2 つの金属が近接 (数ナノメートル未満) すると、2 つの金属の電子雲は相互に侵入します。 適切な電圧が印加されると、2 つの金属が実際には接触していなくても、一方の金属からもう一方の金属に電流が流れます。 この電流をトンネル電流といいます。
トンネル電流とトンネル抵抗は、トンネル ギャップの変化に非常に敏感です。 トンネルギャップの 0.01nm の変化でさえ、トンネル電流に大きな変化を引き起こす可能性があります。
非常に鋭利なプローブ (タングステン針など) を使用して、滑らかなサンプル表面から数十分の 1 ナノメートルの高さで表面に平行に x 方向と y 方向に走査すると、各原子はある程度の大きさを持っているため、中間のトンネル ギャップは x と y によって変化し、プローブを流れるトンネル電流も異なります。 100 分の 1 ナノメートルの高さの変化でさえ、トンネル電流に反映される可能性があります。 走査プローブと同期した記録装置を用いてトンネル電流の変化を記録し、数百分の1ナノメートルの解像度の走査トンネル電子顕微鏡像を得ることができます。
