走査型トンネル電子顕微鏡の応用
トンネル顕微鏡の原理は、物理学におけるトンネル効果とトンネル電流を巧みに利用することです。金属体には大量の「自由」電子があり、これらの「自由」電子の金属体内のエネルギー分布はフェルミエネルギーレベル付近に集中していますが、金属境界にはフェルミエネルギーレベルより高いエネルギーの電位障壁があります。したがって、古典物理学の観点からは、金属内の「自由」電子のうち、境界電位障壁より高いエネルギーを持つ電子だけが金属から外部に逃げることができます。ただし、量子力学によると、金属内の自由電子にも揮発性があり、この電子波が金属境界に向かって伝播し、表面電位障壁に遭遇すると、ある程度の透過が発生します。つまり、表面電位障壁より低いエネルギーの電子の一部は金属表面障壁を貫通し、金属表面「電子雲」を形成します。この効果はトンネル効果と呼ばれます。 したがって、2 つの金属が非常に接近している場合 (数ナノメートル未満)、2 つの金属の電子雲は互いに浸透します。適切な電圧を加えると、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。これをトンネル電流と呼びます。
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、たとえ0.01nmの変化であっても、トンネル電流に大きな変化が生じる可能性があります。
非常に鋭いプローブ（タングステン針など）をサンプルの滑らかな表面から数十ナノメートルの高さまでの距離で、表面と平行に x、y 方向に走査すると、各原子は一定のサイズを持っているため、走査プロセスでトンネルギャップが x、y 方向で異なり、プローブを流れるトンネル電流も異なります。数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ます。同期レコーダーを備えた走査プローブを使用すると、トンネル電流の変化が記録され、数ナノメートルの解像度の走査型トンネル電子顕微鏡画像が得られます。
