स्कैनिंग टनलिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी सिद्धांत
स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (एसटीएम) एक उपकरण है जो सामग्री की सतह संरचना का पता लगाने के लिए क्वांटम सिद्धांत में टनलिंग प्रभाव का उपयोग करता है। यह सामग्री की सतह पर परमाणुओं की व्यवस्था को छवि जानकारी में परिवर्तित करने के लिए परमाणुओं के बीच इलेक्ट्रॉनों के क्वांटम टनलिंग प्रभाव का उपयोग करता है। का।
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।
