स्कैनिंग टनलिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का परिचय
परिचय
ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप पदार्थ की समग्र संरचना को देखने में बहुत उपयोगी है, लेकिन सतह संरचना के विश्लेषण में यह अधिक कठिन है, क्योंकि ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप नमूने के माध्यम से उच्च-ऊर्जा बिजली के माध्यम से जानकारी प्राप्त करता है, जो नमूना पदार्थ को दर्शाता है। . अंदर की जानकारी। यद्यपि स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) कुछ सतह स्थितियों को प्रकट कर सकता है, क्योंकि घटना इलेक्ट्रॉनों में हमेशा एक निश्चित ऊर्जा होती है और नमूने में प्रवेश करेगी, तथाकथित "सतह" का विश्लेषण हमेशा एक निश्चित गहराई पर होता है, और विभाजन दर भी होती है बहुत प्रभावित हुआ. सीमा. यद्यपि फील्ड एमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एफईएम) और फील्ड आयन माइक्रोस्कोप (एफआईएम) का उपयोग सतह अनुसंधान के लिए अच्छी तरह से किया जा सकता है, नमूना विशेष रूप से तैयार किया जाना चाहिए और केवल बहुत पतली सुई की नोक पर रखा जा सकता है, और नमूना भी झेलने में सक्षम होना चाहिए उच्च तीव्रता वाले विद्युत क्षेत्र, ताकि यह इसके अनुप्रयोग के दायरे को सीमित कर दे।
स्कैनिंग टनलिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसटीएम) पूरी तरह से अलग सिद्धांत पर काम करता है, यह नमूने पर इलेक्ट्रॉन बीम (जैसे ट्रांसमिशन और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप) के साथ कार्य करके नमूने के पदार्थ के बारे में जानकारी प्राप्त नहीं करता है, न ही यह उच्च का उपयोग करता है नमूने में इलेक्ट्रॉनों को बाहर आने से अधिक प्राप्त करने के लिए विद्युत क्षेत्र। काम की ऊर्जा द्वारा गठित उत्सर्जन वर्तमान इमेजिंग (जैसे क्षेत्र उत्सर्जन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप) का उपयोग नमूना सामग्री का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है। नमूने की सतह पर टनल करंट का पता लगाकर इसकी छवि बनाई जाती है, ताकि नमूने की सतह का अध्ययन किया जा सके।
सिद्धांत
स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप क्वांटम यांत्रिकी में टनलिंग प्रभाव के सिद्धांत के अनुसार ठोस सतह पर परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों की टनलिंग धारा का पता लगाकर ठोस पदार्थों की सतह आकृति विज्ञान को अलग करने के लिए एक नए प्रकार का सूक्ष्म उपकरण है।
इलेक्ट्रॉनों के टनलिंग प्रभाव के कारण, धातु में इलेक्ट्रॉन पूरी तरह से सतह की सीमा के भीतर सीमित नहीं होते हैं, अर्थात, सतह की सीमा पर इलेक्ट्रॉनों का घनत्व अचानक शून्य तक नहीं गिरता है, बल्कि सतह के बाहर तेजी से क्षय होता है; क्षय की लंबाई लगभग 1nm है, जो इलेक्ट्रॉनों के भागने के लिए सतह अवरोध का एक माप है। यदि दो धातुएँ एक-दूसरे के बहुत करीब हैं, तो उनके इलेक्ट्रॉन बादल ओवरलैप हो सकते हैं; यदि दो धातुओं के बीच एक छोटा वोल्टेज लगाया जाता है, तो उनके बीच एक विद्युत प्रवाह (जिसे टनलिंग करंट कहा जाता है) देखा जा सकता है।
काम करने का तरीका
यद्यपि स्कैनिंग टनलिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के विन्यास अलग-अलग हैं, उनमें निम्नलिखित तीन मुख्य भाग शामिल हैं: एक यांत्रिक प्रणाली (मिरर बॉडी) जो प्रवाहकीय नमूने की सतह के सापेक्ष त्रि-आयामी गति करने के लिए जांच को चलाती है, और इसका उपयोग किया जाता है जांच को नियंत्रित और मॉनिटर करें। नमूने से दूरी के लिए इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली और मापे गए डेटा को छवियों में परिवर्तित करने के लिए प्रदर्शन प्रणाली। इसके दो कार्यशील मोड हैं: निरंतर चालू मोड और निरंतर उच्च मोड।
लगातार चालू मोड
टनलिंग करंट को इलेक्ट्रॉनिक फीडबैक सर्किट द्वारा नियंत्रित और स्थिर रखा जाता है। फिर कंप्यूटर सिस्टम नमूना सतह पर स्कैन करने के लिए सुई की नोक को नियंत्रित करता है, यानी सुई की नोक को x और y दिशाओं के साथ द्वि-आयामी रूप से घुमाता है। चूंकि टनल करंट को स्थिर रखने के लिए नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है, सुई की नोक और नमूना सतह के बीच की स्थानीय ऊंचाई भी स्थिर रहेगी, इसलिए सुई की नोक नमूना सतह के उतार-चढ़ाव के साथ समान उतार-चढ़ाव करेगी, और ऊंचाई की जानकारी तदनुसार परिलक्षित होगी। बाहर आओ। कहने का तात्पर्य यह है कि स्कैनिंग टनलिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप नमूना सतह की त्रि-आयामी जानकारी प्राप्त करता है। यह कार्य पद्धति व्यापक छवि जानकारी, उच्च गुणवत्ता वाली सूक्ष्म छवियां प्राप्त करती है और व्यापक रूप से उपयोग की जाती है।
लगातार ऊंचाई मोड
नमूने की स्कैनिंग प्रक्रिया के दौरान सुई की नोक की पूर्ण ऊंचाई स्थिर रखें; फिर सुई की नोक और नमूना सतह के बीच की स्थानीय दूरी बदल जाएगी, और सुरंग धारा I का आकार भी तदनुसार बदल जाएगा; टनल करंट I के परिवर्तन को कंप्यूटर द्वारा रिकॉर्ड किया जाता है और छवि सिग्नल में परिवर्तित किया जाता है, अर्थात एक स्कैनिंग टनलिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप माइक्रोग्राफ प्राप्त किया जाता है। काम करने का यह तरीका केवल अपेक्षाकृत सपाट सतहों और एकल घटकों वाले नमूनों के लिए उपयुक्त है।
आवेदन
टनलिंग माइक्रोस्कोप का सिद्धांत भौतिक टनलिंग प्रभाव और टनलिंग करंट का चतुराई से उपयोग करना है। धातु शरीर में बड़ी संख्या में "मुक्त" इलेक्ट्रॉन होते हैं, और धातु शरीर में इन "मुक्त" इलेक्ट्रॉनों का ऊर्जा वितरण फर्मी स्तर के पास केंद्रित होता है, और फर्मी स्तर से अधिक ऊर्जा के साथ एक संभावित अवरोध होता है। धातु सीमा. इसलिए, शास्त्रीय भौतिकी के दृष्टिकोण से, किसी धातु में "मुक्त" इलेक्ट्रॉन, केवल वे इलेक्ट्रॉन जिनकी ऊर्जा सीमा अवरोध से अधिक होती है, धातु के अंदर से बाहर की ओर बच सकते हैं। हालाँकि, क्वांटम यांत्रिकी के सिद्धांतों के अनुसार, धातुओं में मुक्त इलेक्ट्रॉनों में भी तरंग गुण होते हैं, और जब यह इलेक्ट्रॉन तरंग धातु की सीमा तक फैलती है और एक सतह अवरोध का सामना करती है, तो इसका कुछ हिस्सा प्रसारित हो जाएगा। कहने का तात्पर्य यह है कि, सतह संभावित अवरोध से कम ऊर्जा वाले कुछ इलेक्ट्रॉन धातु की सतह संभावित अवरोध को भेद सकते हैं और धातु की सतह पर "इलेक्ट्रॉन बादल" बना सकते हैं। इस प्रभाव को टनलिंग कहा जाता है। इसलिए, जब दो धातुएं करीब (कुछ नैनोमीटर से कम) होंगी, तो दोनों धातुओं के इलेक्ट्रॉन बादल एक-दूसरे में प्रवेश करेंगे। जब एक उपयुक्त वोल्टेज लागू किया जाता है, भले ही दो धातुएं वास्तव में संपर्क में न हों, एक धातु से दूसरे धातु में करंट प्रवाहित होगा। इस धारा को टनल धारा कहते हैं।
टनल करंट और टनल प्रतिरोध, टनल गैप में बदलाव के प्रति बहुत संवेदनशील होते हैं। यहां तक कि टनल गैप में 0.01nm का परिवर्तन भी टनल करंट में महत्वपूर्ण परिवर्तन का कारण बन सकता है।
यदि चिकनी नमूना सतह से नैनोमीटर के कुछ दसवें हिस्से की ऊंचाई पर x और y दिशाओं में सतह के समानांतर स्कैन करने के लिए एक बहुत तेज जांच (जैसे टंगस्टन सुई) का उपयोग किया जाता है, क्योंकि प्रत्येक परमाणु का एक निश्चित आकार होता है, मध्य सुरंग का अंतर x और y के साथ अलग-अलग होगा, और जांच के माध्यम से बहने वाली सुरंग धारा भी अलग होगी। यहां तक कि नैनोमीटर के कुछ सौवें हिस्से की ऊंचाई भिन्नता भी सुरंग धाराओं में परिलक्षित हो सकती है। स्कैनिंग जांच के साथ सिंक्रनाइज़ एक रिकॉर्डर का उपयोग टनलिंग करंट के परिवर्तनों को रिकॉर्ड करने के लिए किया जाता है, और नैनोमीटर के कुछ सौवें रिज़ॉल्यूशन के साथ एक स्कैनिंग टनलिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप छवि प्राप्त की जा सकती है।
