مقدمة في المسح المجهري الإلكتروني للنفق
مقدمة
يعتبر المجهر الإلكتروني النافذ مفيدًا جدًا في مراقبة التركيب العام للمادة ، ولكنه أكثر صعوبة في تحليل بنية السطح ، لأن المجهر الإلكتروني النافذ يحصل على المعلومات من خلال الكهرباء عالية الطاقة من خلال العينة ، مما يعكس مادة العينة . معلومات داخلية. على الرغم من أن الفحص المجهري الإلكتروني (SEM) يمكن أن يكشف عن ظروف سطحية معينة ، نظرًا لأن الإلكترونات الساقطة دائمًا ما يكون لها طاقة معينة وسوف تخترق العينة ، فإن ما يسمى بـ "السطح" الذي يتم تحليله يكون دائمًا على عمق معين ، ومعدل الانقسام أيضًا أثر بشكل كبير. حد. على الرغم من إمكانية استخدام المجهر الإلكتروني للانبعاثات الميدانية (FEM) والمجهر الأيوني الميداني (FIM) بشكل جيد للبحث السطحي ، يجب إعداد العينة بشكل خاص ولا يمكن وضعها إلا على طرف إبرة رفيع جدًا ، ويجب أيضًا أن تكون العينة قادرة على الصمود المجالات الكهربائية عالية الكثافة ، بحيث تحد من نطاق تطبيقها.
يعمل المجهر الإلكتروني للمسح النفقي (STM) على مبدأ مختلف تمامًا ، فهو لا يحصل على معلومات حول مادة العينة من خلال العمل على العينة باستخدام شعاع إلكتروني (مثل مجاهر الإرسال والمسح الإلكتروني) ، كما أنه لا يستخدم درجة عالية المجال الكهربائي لجعل الإلكترونات في العينة تكتسب أكثر مما تخرج.يمكن استخدام تصوير تيار الانبعاث (مثل المجهر الإلكتروني للانبعاث الميداني) المتكون من طاقة العمل لدراسة مادة العينة. يتم تصويره عن طريق الكشف عن تيار النفق على سطح العينة ، وذلك لدراسة سطح العينة.
مبدأ
يعد مجهر المسح النفقي نوعًا جديدًا من الأجهزة المجهرية لتمييز شكل سطح المواد الصلبة عن طريق الكشف عن تيار الإلكترونات النفقي في الذرات على السطح الصلب وفقًا لمبدأ التأثير النفقي في ميكانيكا الكم.
نظرًا للتأثير النفقي للإلكترونات ، فإن الإلكترونات الموجودة في المعدن ليست محصورة تمامًا داخل حدود السطح ، أي أن كثافة الإلكترونات لا تنخفض فجأة إلى الصفر عند حدود السطح ، ولكنها تتحلل بشكل كبير خارج السطح ؛ يبلغ طول الاضمحلال حوالي 1 نانومتر ، وهو مقياس للحاجز السطحي لهروب الإلكترونات. إذا كان معدنان قريبين جدًا من بعضهما البعض ، فقد تتداخل سحب الإلكترون الخاصة بهما ؛ إذا تم تطبيق جهد صغير بين المعدنين ، فيمكن ملاحظة تيار كهربائي (يسمى تيار نفق) بينهما.
طريقة العمل
على الرغم من اختلاف تكوينات مسح المجاهر الإلكترونية عبر الأنفاق ، إلا أنها تتضمن جميعًا الأجزاء الثلاثة الرئيسية التالية: نظام ميكانيكي (جسم مرآة) يدفع المسبار لعمل حركات ثلاثية الأبعاد متعلقة بسطح العينة الموصلة ، ويستخدم في التحكم في المسبار ومراقبته. النظام الإلكتروني للمسافة من العينة ونظام العرض لتحويل البيانات المقاسة إلى صور. لديها وضعان للعمل: الوضع الحالي الثابت والوضع العالي الثابت.
الوضع الحالي المستمر
يتم التحكم في تيار النفق والحفاظ عليه ثابتًا عن طريق دائرة التغذية الراجعة الإلكترونية. ثم يتحكم نظام الكمبيوتر في طرف الإبرة للمسح على سطح العينة ، أي لجعل طرف الإبرة يتحرك بشكل ثنائي الأبعاد على طول الاتجاهين x و y. نظرًا لأنه يجب التحكم في تيار النفق ليكون ثابتًا ، فإن الارتفاع المحلي بين طرف الإبرة وسطح العينة سيظل ثابتًا أيضًا ، وبالتالي فإن طرف الإبرة سيؤدي نفس عمليات الصعود والهبوط مع صعود وهبوط سطح العينة ، و ستنعكس معلومات الارتفاع وفقًا لذلك. يخرج. وهذا يعني أن المجهر الإلكتروني الماسح النفقي يحصل على المعلومات ثلاثية الأبعاد لسطح العينة. تحصل طريقة العمل هذه على معلومات صورة شاملة وصور مجهرية عالية الجودة وتستخدم على نطاق واسع.
وضع الارتفاع الثابت
الحفاظ على الارتفاع المطلق لطرف الإبرة ثابتًا أثناء عملية مسح العينة ؛ ثم ستتغير المسافة المحلية بين طرف الإبرة وسطح العينة ، وسأغير حجم تيار النفق أيضًا وفقًا لذلك ؛ يتم تسجيل تغيير تيار النفق I بواسطة الكمبيوتر وتحويله إلى يتم عرض إشارة الصورة ، أي يتم الحصول على صورة مجهرية بالمجهر الإلكتروني. طريقة العمل هذه مناسبة فقط للعينات ذات الأسطح المستوية نسبيًا والمكونات الفردية.
طلب
مبدأ مجهر الأنفاق هو استخدام تأثير النفق المادي بذكاء ونفق التيار. يوجد عدد كبير من الإلكترونات "الحرة" في الجسم المعدني ، ويتركز توزيع الطاقة لهذه الإلكترونات "الحرة" في الجسم المعدني بالقرب من مستوى فيرمي ، وهناك حاجز محتمل بطاقة أعلى من مستوى فيرمي في الحدود المعدنية. لذلك ، من منظور الفيزياء الكلاسيكية ، فإن الإلكترونات "الحرة" في المعدن ، فقط تلك الإلكترونات التي تكون طاقتها أعلى من الحاجز الحدودي ، يمكنها الهروب من داخل المعدن إلى الخارج. ومع ذلك ، وفقًا لمبادئ ميكانيكا الكم ، فإن للإلكترونات الحرة في المعادن أيضًا خصائص موجية ، وعندما تنتشر موجة الإلكترون هذه إلى الحدود المعدنية وتواجه حاجزًا سطحيًا ، سينتقل جزء منها. وهذا يعني أن بعض الإلكترونات ذات الطاقة الأقل من حاجز السطح المحتمل يمكنها اختراق الحاجز المحتمل لسطح المعدن وتشكيل "سحابة إلكترونية" على سطح المعدن. هذا التأثير يسمى نفق. لذلك ، عندما يكون هناك معدنان على مقربة شديدة (أقل من بضعة نانومترات) ، فإن السحب الإلكترونية للمعدنين سوف تخترق بعضها البعض. عندما يتم تطبيق جهد مناسب ، حتى لو لم يكن المعدنان على اتصال فعليًا ، فإن التيار سوف يتدفق من معدن إلى آخر. هذا التيار يسمى تيار النفق.
تعتبر مقاومة تيار النفق ومقاومة الأنفاق حساسة للغاية للتغيرات في فجوة النفق. حتى تغيير 0. 01 نانومتر في فجوة النفق يمكن أن يسبب تغييرات كبيرة في تيار النفق.
إذا تم استخدام مسبار حاد جدًا (مثل إبرة التنغستن) للمسح الموازي للسطح في الاتجاهين x و y على ارتفاع بضعة أعشار من النانومتر بعيدًا عن سطح العينة الأملس ، نظرًا لأن كل ذرة لها حجم معين ، ستختلف فجوة النفق الأوسط مع x و y ، كما أن تيار النفق المتدفق عبر المسبار سيكون مختلفًا أيضًا. يمكن أن تنعكس اختلافات الارتفاع حتى بضعة أجزاء من المئات من النانومتر في التيارات النفقية. يتم استخدام مسجل متزامن مع مسبار المسح لتسجيل التغيرات في تيار النفق ، ويمكن الحصول على صورة مجهر إلكتروني للمسح النفقي بدقة تصل إلى بضعة مئات من النانومترات.
