Một đầu dò (tip) bằng kim loại hoặc hợp kim đủ nhọn quét trên bề mặt vật liệu dẫn điện cần khảo sát là phần thiết yếu trong hệ hiển vi quét xuyên hầm (Hình 2.6).
Hình 2.6. Nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi quét xuyên hầm (STM): Ub: điện thế bias; It: dòng điện xuyên hầm; Ux và Uy: điện thế theo trục ngang - song song với bề
mặt mẫu; Uz: điện thế theo trục dọc - vuông gốc với bề mặt mẫu
Đầu dò được cố định vào một máy quét (scanner) - đó là một ống áp điện (piezo) làm từ gốm và chứa 3 hợp phần tương ứng với 3 điện cực: Px, Py, Pz. Ống điện áp này đóng vai trò như một bộ biến năng cơ điện có tác dụng chuyển đổi các tín hiệu điện Vx, Vy, Vz từ 1 mV đến 1 kV (được áp dụng cho các điện cực Px, Py, Pz tương ứng) thành chuyển động cơ từ 1 Å đến vài µm của một điện cực bên trong ống áp điện. Khi đầu dò quét trên bề mặt mẫu sẽ xuất hiện các điện tử di chuyển từ bề mặt mẫu sang đầu dò hoặc ngược lại do hiệu ứng xuyên hầm lượng tử và việc ghi lại dòng xuyên hầm này sẽ cho các thông tin về cấu trúc bề mặt với độ phân giải ở cấp độ nguyên tử/phân tử.
Dòng xuyên hầm này phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách đầu dò - mẫu và cấu trúc điện tử của mẫu [30], [31], [32].
Về nguyên tắc, hai chế độ làm việc có thể được sử dụng cho phép đo STM: chế độ dòng điện không đổi và chế độ chiều cao đầu dò không đổi (Hình 2.7).
Hình 2.7. Chế độ làm việc của STM; a) Dòng điện không đổi; b) Chiều cao không đổi
- Chế độ dòng điện không đổi (a): Ở chế độ này, tín hiệu I và V được giữ không đổi, x và y biến đổi theo đường quét của đầu dò, tín hiệu z được xem như một hàm của x và y. Chế độ này có thể dùng để đo những mẫu tương đối gồ ghề, diện tích đặc trưng lớn mà không gây hư hỏng đầu dò (do va chạm với bề mặt mẫu). Tuy nhiên nhược điểm của chế độ này là tốc độ quét giới hạn, phải được giữ đủ chậm để hệ thống phản hồi có thể kiểm soát được vị trí của đầu dò.
- Chế độ chiều cao không đổi (b):Tín hiệu z và V được giữ không đổi, x và y biến đổi theo đường quét của đầu dò và I được xem như là một hàm của x và y. Ưu điểm của chế độ này là tốc độ quét nhanh và do đó có thể loại bỏ được hiệu ứng “trôi” (tức là hình ảnh bị biến dạng) đối với những phép đo với độ phân giải cao (phép đo ở kích thước hình ảnh STM nhỏ). Nhược điểm của chế độ này là hầu như khó thực hiện phép đo trên diện tích lớn hay bề mặt mẫu gồ ghề bởi dễ xảy ra hiện tượng va chạm giữa đầu dò và mẫu.