STM princip i AFM princip rada mikroskopa
Princip rada STM-a
STM radi koristeći efekat kvantnog tuneliranja. Ako se metalni vrh igle koristi kao jedna elektroda, a izmjereni čvrsti uzorak koristi se kao druga elektroda, doći će do efekta tuneliranja kada je udaljenost između njih oko 1nm, a elektroni će proći kroz prostornu potencijalnu barijeru od jedne do druge elektrode. elektroda za formiranje struje. I Ub: prednapon; k: Konstanta, približno jednaka 1, Φ 1/2: Prosječna radna funkcija, S: Udaljenost.
Iz gornje jednačine se može vidjeti da tunelska struja ima negativan eksponencijalni odnos s razmakom S između uzoraka vrha igle. Veoma osetljiv na promene u razmaku. Stoga, kada vrh igle izvrši planarno skeniranje na površini testiranog uzorka, čak i ako površina ima samo fluktuacije atomske skale, to će uzrokovati vrlo značajne, ili čak blizu reda veličine, promjene u tunelskoj struji. Na ovaj način, fluktuacija atomske skale na površini može se odraziti mjerenjem promjena struje, kao što je prikazano na desnoj strani sljedeće slike. Ovo je osnovni princip rada STM-a, koji se zove režim konstantne visine (održavanje konstantne visine vrha igle).
STM ima još jedan način rada, koji se zove režim konstantne struje, kao što je prikazano na lijevoj strani slike. U ovom trenutku, tokom procesa skeniranja igle, tunelska struja se održava konstantnom kroz elektronsku povratnu petlju. Da bi se održala konstantna struja, vrh igle se pomiče gore-dolje s fluktuacijom površine uzorka, čime se bilježi da postoji drugi način rada STM-a na vrhu igle, nazvan mod konstantne struje, kao što je prikazano na lijevoj strani slike ispod. U ovom trenutku, tokom procesa skeniranja igle, tunelska struja se održava konstantnom kroz elektronsku povratnu petlju. Da bi se održala konstantna struja, vrh igle se pomiče gore-dolje s fluktuacijom površine uzorka, čime se bilježi putanja kretanja vrha igle gore-dolje i osigurava morfologija površine uzorka.
Mod konstantne struje je uobičajeni radni način za STM, dok je režim konstantne visine pogodan samo za snimanje uzoraka s malim površinskim fluktuacijama. Kada površina uzorka značajno fluktuira, zbog toga što je vrh igle vrlo blizu površine uzorka, korištenjem skeniranja u režimu konstantne visine može lako doći do sudara vrha igle s površinom uzorka, što dovodi do oštećenja između vrha igle i uzorka površine.
Princip rada AFM-a
Osnovni princip AFM-a je sličan STM-u, u kojem se vrh igle na elastičnoj konzoli koja je vrlo osjetljiva na slabe sile koristi za skeniranje rešetke na površini uzorka. Kada je razmak između vrha igle i površine uzorka vrlo blizak, postoji vrlo slaba sila (10-12-10-6N) između atoma na vrhu igle i atoma na površini uzorak. U ovom trenutku, mikrokantilever će doživjeti malu elastičnu deformaciju. Sila F između vrha igle i uzorka i deformacija mikrokantilevera slijede Hookeov zakon: F=- k * x, gdje je k konstanta sile mikrokantilevera. Dakle, sve dok se mjeri veličina varijable deformacije mikro konzole, može se dobiti veličina sile između vrha igle i uzorka. Sila između vrha igle i uzorka jako ovisi o udaljenosti, tako da se povratna sprega koristi tijekom procesa skeniranja kako bi se održala konstantna sila između vrha igle i uzorka, koja se održava kao varijabla oblika konzole. Vrh igle će se kretati gore-dolje s fluktuacijom površine uzorka, a putanja kretanja vrha igle gore-dolje može se snimiti kako bi se dobile informacije o morfologiji površine uzorka. Ovaj način rada naziva se 'Režim konstantne sile' i najčešće je korištena metoda skeniranja.
AFM slike se također mogu dobiti korištenjem "Constant Height Mode", što znači da se tokom X, Y procesa skeniranja ne koristi povratna petlja za održavanje konstantne udaljenosti između vrha igle i uzorka, a snimanje se postiže mjerenjem oblik promjenjiv u smjeru Z mikrokonzole. Ova metoda ne koristi povratnu petlju i može usvojiti veću brzinu skeniranja. Obično se koristi češće kada se posmatraju atomske i molekularne slike, ali nije pogodan za uzorke sa velikim fluktuacijama površine.
