Сканираща тунелна микроскопия (STM)
При сканираща тунелна микроскопия сондата е остър метален връх, който сканира по проводима повърхност на разстояние около 0,1-10 nm. Напрежение от приблизително няколко миливолта между върха и пробата води до тунелен ток от порядъка на няколко nA. Когато се прилага напрежение V, нивата на Ферми Еп движете се един към друг със сила д* V, където д - електростатичен заряд на електрон. Поради съществуването на енергийна бариера между тези два метала, която има реда на техните работни функции F, при ниски напрежения нормалният ток не може да тече. Тунелен ток протича между върха и сондата. Зависимост на тунелния ток от приложеното напрежение Vt и разстоянието между повърхността на пробата и върха на сондата с дадени от уравнението
(един)
където A е константа, се дава като A = 2 ((2me) 1/2)/h (me е електронната маса, h - константа на Планк). Поради факта, че зависимостта има експоненциална форма, тунелният ток се оказва много чувствителен към промените в разстоянието s. По този начин, промяна от 0,001 nm в разстоянието между върха и пробата води до промяна на тока с няколко процента. Тунелният ток обаче се определя не само от разстоянието, но и от електронната структура на повърхността. Това е изключително важно за интерпретацията на STM изображения в атомния мащаб, тъй като за разлика от AFM, те ще показват не само топографията на повърхността, но и разпределението на локалната плътност на състоянията близо до нивото на Ферми, когато се прилагат напрежения в миливолта. За високи напрежения (няколко волта) можете да разгледате плътността на други електронни състояния. Трябва да се отбележи, че всички тези разсъждения предполагат, че върхът на сондата не влияе върху електронната структура на повърхността при приложени напрежения. Освен това, за да се опише точно триизмерното тунелиране, трябва да се вземе предвид сложната пространствена структура на електронните състояния (вълнова функция).
Фигура: 5. Режими на постоянен ток (a) и постоянна височина (b).
Има два начина на работа на STM: метод с постоянен ток и метод с постоянно разстояние. В първия случай върхът сканира по повърхността на пробата при фиксирано напрежение на отклонение и тунелиращият ток се поддържа постоянен, като върхът се движи вертикално, докато преминава през топографски характеристики (или, на атомно ниво, локална плътност на състоянията) на повърхността. При този метод могат да бъдат изобразени относително големи и груби области на пробата, без да се увреждат върха или повърхността на пробата, но скоростите на сканиране остават относително ниски, за да позволи на системата за обратна връзка да проследи промяната във височината. При метода с постоянно разстояние вертикалното положение на върха се поддържа постоянно и се записва променливият тунелен ток. В този случай може да се постигне по-висока скорост на сканиране на изображението, което е важно за елиминиране на топлинния дрейф в режим с висока разделителна способност, но е възможно разрушаване на пробата или върха на сондата поради тяхното въздействие.
Съветите, използвани за експерименти със STM, трябва да бъдат остри и стабилни. Химичната стабилност може да бъде постигната чрез използване на благородни метали. Механична твърдост може да се постигне с помощта на къси проводници. Pt и Ir сплавите често се използват за направата на ферули. Поради високата химическа стабилност на Pt/Ir, върховете са подходящи за експерименти с висока разделителна способност върху плоски проби. Те обаче не са в състояние да проследят рязките промени в топографията на повърхността. Следователно, за изследване на груби проби се използват електролитни гравирани волфрамови накрайници, въпреки че те са по-малко устойчиви на окисляване.
Въпреки че физическите изследвания на електронното състояние на повърхностите изискват висок вакуум, за да се осигури чистота на пробите, самата техника може да се използва във въздух и течност.
STM изображенията могат да се интерпретират като повърхностен релеф само за повърхностни структури с размери, много по-големи от междуатомното разстояние. Като цяло DC изображенията описват локалната плътност на състоянията. Ако полярността на пробата е отрицателна, тогава се показват състоянията във валентната лента. За положителна полярност на пробата може да се запише разпределението на електронните състояния в проводимостта. Ако на повърхността присъстват различни химични съединения, контрастът на изображението също се определя от промените в ефективната височина на бариерата (работна функция) в различни точки. Като пример, Фиг. 7 показва изображение на силициева (111) повърхност, покрита с 1/3 монослой от сребро. Високият контраст между силициевата повърхност и сребърните острови прави невъзможно представянето на сребърните области поради по-ниската работна функция. Най-общо казано, тунелният ефект се използва широко във физиката на твърдото тяло за спектроскопия на електронни състояния. Методът се основава на зависимостта на тунелния ток от броя на състоянията в полупроводниците, образуващи тунелния контакт в енергийния диапазон от 0 до eV, измерено от нивото на Ферми EF (V - напрежение през тунелната междина). За STM е необходимо да се вземе предвид координатната зависимост на плътността на състоянията, което отваря възможността за извършване на сканираща тунелна спектроскопия с висока пространствена разделителна способност. Локалните разлики в ефективната височина на преградата могат да бъдат директно показани чрез модулиране на върха вертикално и записване на съотношението dJ/ds, което е пропорционално на Ф 1/2 * л. STM може също така да предоставя спектроскопска информация, като записва dJ/d кривиU в фиксирани точки.