Principiul STM și Principiul de lucru AFM al microscoapelor
Principiul de funcționare al STM
STM funcționează prin utilizarea efectului de tunel cuantic. Dacă vârful metalic al acului este folosit ca un electrod și proba solidă măsurată este folosită ca alt electrod, va apărea un efect de tunel atunci când distanța dintre ele este de aproximativ 1 nm, iar electronii vor trece prin bariera de potențial spațial de la un electrod la altul. electrod pentru a forma un curent. Și Ub: tensiune de polarizare; k: Constant, aproximativ egal cu 1, Φ 1/2: Funcția medie de lucru, S: Distanță.
Din ecuația de mai sus, se poate observa că curentul tunelului are o relație exponențială negativă cu distanța S dintre eșantioanele vârfului acului. Foarte sensibil la schimbările de spațiere. Prin urmare, atunci când vârful acului efectuează o scanare plană pe suprafața probei testate, chiar dacă suprafața are doar fluctuații la scară atomică, va provoca modificări foarte semnificative, sau chiar aproape de un ordin de mărime, în curentul tunelului. În acest fel, fluctuația scării atomice de pe suprafață poate fi reflectată prin măsurarea modificărilor curentului, așa cum se arată în partea dreaptă a figurii următoare. Acesta este principiul de bază de lucru al STM, care se numește modul de înălțime constantă (menținând constantă înălțimea vârfului acului).
STM are un alt mod de operare, numit mod curent constant, așa cum se arată în partea stângă a figurii. În acest moment, în timpul procesului de scanare a acului, curentul tunelului este menținut constant printr-o buclă de feedback electronic. Pentru a menține un curent constant, vârful acului se mișcă în sus și în jos odată cu fluctuația suprafeței probei, înregistrând astfel că există un alt mod de lucru al STM pe vârful acului, numit mod curent constant, așa cum se arată în partea stângă a figurii. de mai jos. În acest moment, în timpul procesului de scanare a acului, curentul tunelului este menținut constant printr-o buclă de feedback electronic. Pentru a menține un curent constant, vârful acului se mișcă în sus și în jos odată cu fluctuația suprafeței probei, înregistrând astfel traiectoria mișcării în sus și în jos a vârfului acului și oferind morfologia suprafeței probei.
Modul de curent constant este un mod de lucru utilizat în mod obișnuit pentru STM, în timp ce modul de înălțime constantă este potrivit doar pentru eșantioane de imagistică cu fluctuații mici de suprafață. Atunci când suprafața probei fluctuează semnificativ, datorită faptului că vârful acului este foarte aproape de suprafața eșantionului, utilizarea scanării în modul de înălțime constantă poate determina cu ușurință să ciocnească vârful acului de suprafața probei, ceea ce duce la deteriorarea între vârful acului și probă. suprafaţă.
Principiul de funcționare al AFM
Principiul de bază al AFM este similar cu STM, în care un vârf de ac pe o consolă elastică care este foarte sensibilă la forțele slabe este utilizat pentru a efectua scanarea cu rețea pe suprafața probei. Când distanța dintre vârful acului și suprafața probei este foarte apropiată, există o forță foarte slabă (10-12-10-6N) între atomii de la vârful acului și atomii de pe suprafața probă. În acest moment, microconsola va suferi o mică deformare elastică. Forța F dintre vârful acului și probă și deformarea microconsolului urmează legea lui Hooke: F=- k * x, unde k este constanta de forță a microconsolului. Deci, atâta timp cât dimensiunea variabilei de deformare a microconsolului este măsurată, se poate obține mărimea forței dintre vârful acului și probă. Forța dintre vârful acului și probă este puternic dependentă de distanță, așa că în timpul procesului de scanare este utilizată o buclă de feedback pentru a menține o forță constantă între vârful acului și probă, care este menținută ca o variabilă de formă cantilever. Vârful acului se va deplasa în sus și în jos odată cu fluctuația suprafeței probei, iar traiectoria mișcării vârfului acului în sus și în jos poate fi înregistrată pentru a obține informații despre morfologia suprafeței probei. Acest mod de lucru se numește „Constant Force Mode” și este cea mai utilizată metodă de scanare.
Imaginile AFM pot fi, de asemenea, obținute folosind „Modul de înălțime constantă”, ceea ce înseamnă că în timpul procesului de scanare X, Y, nu este utilizată nicio buclă de feedback pentru a menține o distanță constantă între vârful acului și probă, iar imagistica este realizată prin măsurarea formă variabilă în direcția Z a microconsolului. Această metodă nu utilizează o buclă de feedback și poate adopta o viteză de scanare mai mare. Este de obicei folosit mai frecvent atunci când se observă imagini atomice și moleculare, dar nu este potrivit pentru probe cu fluctuații mari ale suprafeței.
