k h
Bu yerda m* elektronning samarali massasi, – elektronning o'rtacha ishlab chiqarish ishi, h–Plank doimiysi. Tunnel kontaktiga potentsial farq qo'llanilganda, prob va namuna o'rtasida tunnel oqimi hosil bo'ladi.
STMda uch koordinatali skanerga ignasimon o'tkir zond biriktirilgan. Elektr potentsiali qo'llaniladigan prob sirtga perpendikulyar yo'naltiriladi va tunnel oqimi hosil bo'lgunga qadar sirtga yaqinlashadi. Tunnel oqimi elektronning potentsial to'siqni kesib o'tish ehtimoli bilan mutanosibdir. Shuning uchun tunnel oqimi zondning uchi va sirt orasidagi masofaga (z) bog'liq va bu bog'liqlik eksponensialdir. Bundan tashqari, tunnel oqimi probga qo'llaniladigan potentsialning qiymatiga bog'liq. Shuning uchun, probning sirt bo'ylab o'rnini o'zgartirib, tunnel oqimini nazorat qilish va shu bilan atom darajasida sirt topologiyasini tahlil qilish mumkin. Bu fikr tunnel mikroskopida quyidagicha amalga oshiriladi (3.2-rasm)..
3.2-rasm. STMda prob va sirtning nisbiy holati
STM problari o'tkazuvchan materiallardan tayyorlanishi kerak. Ko'pgina hollarda ular sof metalldan yasalgan va o'tkir uchi radiusi ~ 10 nm. Prob materialini tanlash topshirilgan vazifaga bog'liq. Nisbatan qattiq zondlar volfram (V), iridiy (Ir) va platina (Pt) qotishmasidan qilingan. Nisbatan yumshoq problar uchun oltin (Au) ishlatiladi.
Probning holati qo'llaniladigan nazorat kuchlanishiga ega piezoelementlar tomonidan o'rnatiladi. Zond namuna yuzasiga tunnel oqimini yaratish uchun zarur bo'lgan minimal masofaga yaqinlashtiriladi. Agar teskari aloqa zanjiri yordamida tunnel oqimi doimiy ravishda ushlab turilsa, sirt topografiyasi haqida ma'lumot olish mumkin. Bu usul doimiy oqim usuli deb ataladi.
Qo'llaniladigan V kuchlanishni o'zgartirish orqali darvoza orqali o'tadigan tunnel oqimi qayta aloqa tizimi orqali doimiy ravishda saqlanadi. V(x,y) bog`liqligi sirtning atom topografiyasini tavsiflaydi. Agar sirt bir jinsli bo'lsa (chiqarish ishi sirt bo'ylab o'zgarmasa) butun sirt bo'ylab relyef bir xil shaklga ega bo'ladi.Chiqish ishining mahalliy o'zgarishi har xil xususiyatdagi atomlardan tashkil topgan namunalar uchun xarakterlidir.Buni hisobga olish uchun: prob va sirt orasidagi masofaning kichik modulyatsiyasi qo'llaniladi. Shunday qilib, nafaqat sirtda atomlarni "ko'rish", balki turli xil kimyoviy tarkibga ega qismlarni ajratish ham mumkin. Bu vaqtda vertikal yo'nalishda o'lchamlari (0,01÷0,05) nm, gorizontal yo'nalishda esa 0,3 nm.
Tekshirilayotgan sirtning o'lchami 100 mikrometrga teng bo'lishi mumkin. STM ning asosiy cheklovi shundaki, o'rganilayotgan material tunnel oqimini qayd etish uchun yuqori elektr o'tkazuvchanligiga ega bo'lishi kerak.
Tunnel mikroskopida elektronning potentsial to'siqdan o'tishi 3.3-rasmda ko'rsatilgan.
Tunnellash jarayoni asosan energiyasi EF Fermi darajasiga mos keladigan elektronlarni o'z ichiga oladi. Ikki metall o'rtasidagi aloqada (3.4-rasm), biz tunnel oqimining zichligi uchun olamiz:
t 0
j j [eA
Z ( eV)e A
eV ΔZ
(1)
Z0
3.3-rasm. Elektronning tunnel to'sig'i orqali o'tishi.
Burada
j e və
0 2 p ΔZ 2
A 4π 2m *
h
Voltaj kichik bo'lganda (eV< )oqim zichligi (1) soddaroq ifodalash mumkin::
jt j0 (V)e
4
h
2m * ΔZ
(2)
C hiqish unktsiyasining odatiy qiymatlari uchun (~ 4 eV) o'chirish koeffitsienti k=2Å-1 qiymatini oladi. Demak, DZ~1Å o'zgarganda tokning qiymati bitta tartib o'zgarishlar STMdagi haqiqiy tunnel kontaktlari bir o'lchovli emasva yanada murakkab geometrik shaklga ega. Biroq, turli tajribalar bilan Ko'proq tasdiqland
əkil 3.4. İki metalın tunel kontaktının energetik diaqramı
hatto murakkab modellarda ham tunnel o'tishlarining asosiy xususiyatlari, ayniqsa, tunnel oqimining zond-namuna masofasiga bog'liqligi saqlanib qolgan.
3.5-rasm. Tunnel oqimi tufayli qayta aloqani amalga oshiradigan sxema
Yuqori kuchlanishlarda, ya'ni eV˃shart bajarilganda, (1) ifoda maydon ta'sirida elektronlarni vakuumga chiqarish uchun mashhur Fauler-Nordxaym formulasini beradi:
j e3V2
8h (Z)2
3
exp[ 8π 2m*( )2 ΔZ ]
3ehV
Tunnel oqimining masofaga eksponensial bog'liqligi tunnel mikroskopida zond va sirt orasidagi masofani yuqori aniqlikda sozlash imkonini beradi. STM - bu salbiy teskari aloqa bilan bog'langan elektromexanik tizim. Qayta aloqa tizimi prob va namuna o'rtasidagi tunnel oqimining qiymatini ma'lum darajada (I0) ushlab turishi mumkin.Tunnel oqimining qiymatini va shunga mos ravishda zond va sirt orasidagi masofani nazorat qilish. piezoelektrik element yordamida zondning Z o'qi bo'ylab silliq siljishi (3.5-rasm). Ushbu rasm asosan tunnel oqimining qayta aloqasini amalga oshiradigan sxemani ko'rsatadi.
STMda sirt relyefini o'rganish ikki usul bilan amalga oshiriladi.
Sabit tunel cərəyanı üsulu
S irt bo'ylab harakatlanayotganda, relyefga qarab, probning uchi fikr
bildiradi tizim bo'ylab yuqoriga-pastga harakat qiladi va natijada namuna yuzasining har bir nuqtasida prob va sirt orasidagi masofa. masofaning narxi bir xil sodir bo'ladi Olingan sirt bilan namunalar orasida oqayotgan tunnel
3.6-rasm. Doimiy tunnel oqimi
oqimining narx doimiy bo'lib qoladi. Probning o'rnini vertikal yo'nalishda o'zgartirish uchun qayta aloqa pallasida piezo elementning Zelectrode kuchlanish qiymati o'zgaradi va bu o'zgarishlar namuna yuzasining topografiyasini yuqori aniqlik bilan takrorlaydi. Kuchlanishning o zgarishi kompyuter xotirasiga Z=f(x,y) funksiya ko rinishida yoziladi, so ngra tasvir kompyuter grafikasi yordamida jonlantiriladi (3.6-rasm).
Sabit hündürlük üsulu (Z=const)
B u usul atomik silliq sirtlarni o'rganishda samaraliroqdir. Bu sirt usuli relyefini bo'yin harakati paytida sirt va prob orasidagi masofani o'rganish o'rtacha narx, aniqrog'i, prob bilan misol
U joylashgan poydevor orasidagi masofa doimiy saqlanadi. Bunday siljish paytida sirtning har bir nuqtasida prob va sirt orasidagi masofa
o'zgarish tunnel oqimining o'zgarishiga olib keladi. Bu o'zgarishlar sirtning STM tasviri sifatida qayd etiladi (3.7-rasm). Sirtni skanerlash vaqtida qayta aloqa halqasi o'chiriladi yokiskanerlash bo'yicha fikr-mulohazalar
shakllanish tezligidan kattaroqdir tezlikda bajariladi va hokazo faqat vaziyat haqida fikr bildirish
3.8-rasm. STMdagi atom
rezolyutsiya darajasi
amalga oshirish
sirt relyefining silliq o'zgarishlarini belgilaydi.
STM dagi yuqori aniqlik tunnel oqimining prob va sirt orasidagi masofaga eksponensial bog'liqligi bilan bog'liq. Sirtga normal yo'nalishda o'lchamlari 1Å ning kasrlari. Yanal (sirtga parallel) yo'nalishdagi o'lchamlari probning sifatiga bog'liq va asosan probning uchi radiusi bilan emas, balki uning atom tuzilishi bilan belgilanadi. Zond to'g'ri tayyorlanganda, uning uchida atom yoki kichik atomlar to'plami bo'lishi mumkin (3.8-rasm).
Namuna yuzasidagi atomlar va prob atomlari o'rtasida tunnel oqimi oqadi. Prob yuzasida lokalizatsiya qilingan atom sirtga yaqinroq. Uning sirtdan masofasi kristallning panjara konstantasi bilan belgilanadi. Tunnel oqimi eksponent ravishda masofaga bog'liq bo'lganligi sababli, bu holda oqim namunaning yuzasi va probning uchidagi atom o'rtasida oqadi. Bunday zondlar yordamida hatto atom darajasida ham ruxsat olish mumkin. Bu natija turli materiallardan tayyorlangan namunalar bilan ko'plab tajribalar bilan tasdiqlangan.
| 