Mikroskooppien STM-periaate ja AFM-toimintaperiaate
STM:n toimintaperiaate
STM toimii hyödyntämällä kvanttitunnelointiefektiä. Jos metallista neulan kärkeä käytetään yhtenä elektrodina ja mitattua kiinteää näytettä käytetään toisena elektrodina, tunnelointivaikutus tapahtuu, kun niiden välinen etäisyys on noin 1 nm, ja elektronit kulkevat spatiaalisen potentiaaliesteen läpi elektrodista toiseen. elektrodi virran muodostamiseksi. Ja Ub: esijännite; k: Vakio, suunnilleen yhtä kuin 1, Φ 1/2: Keskimääräinen työfunktio, S: Etäisyys.
Yllä olevasta yhtälöstä voidaan nähdä, että tunnelivirralla on negatiivinen eksponentiaalinen suhde neulankärkinäytteiden väliseen etäisyyteen S. Erittäin herkkä välin muutoksille. Siksi, kun neulankärki suorittaa tasomaisen skannauksen testatun näytteen pinnalle, vaikka pinnalla olisi vain atomimittakaavavaihteluita, se aiheuttaa tunnelivirrassa erittäin merkittäviä tai jopa suuruusluokkaa olevia muutoksia. Tällä tavalla atomimittakaavan vaihtelu pinnalla voidaan heijastaa mittaamalla virran muutoksia, kuten seuraavan kuvan oikealla puolella näkyy. Tämä on STM:n perustoimintaperiaate, jota kutsutaan vakiokorkeustilaksi (neulan kärjen korkeuden pitäminen vakiona).
STM:llä on toinen toimintatila, nimeltään vakiovirtatila, kuten kuvan vasemmassa reunassa näkyy. Tässä vaiheessa neulaskannausprosessin aikana tunnelin virta pidetään vakiona elektronisen takaisinkytkentäsilmukan kautta. Vakiovirran ylläpitämiseksi neulan kärki liikkuu ylös ja alas näytteen pinnan vaihtelun mukaan, mikä kirjaa, että neulan kärjessä on toinen STM:n toimintatila, jota kutsutaan vakiovirtatilaksi, kuten kuvan vasemmassa reunassa näkyy. alla. Tässä vaiheessa neulaskannausprosessin aikana tunnelin virta pidetään vakiona elektronisen takaisinkytkentäsilmukan kautta. Vakiovirran ylläpitämiseksi neulan kärki liikkuu ylös ja alas näytteen pinnan vaihtelun mukana, mikä tallentaa neulan kärjen ylös- ja alasliikkeen liikeradan ja tarjoaa näytepinnan morfologian.
Vakiovirtatila on yleisesti käytetty työtila STM:lle, kun taas vakiokorkeustila soveltuu vain pienillä pinnanvaihteluilla varustettujen näytteiden kuvaamiseen. Kun näytteen pinta vaihtelee merkittävästi, koska neulan kärki on hyvin lähellä näytteen pintaa, vakiokorkeustilan skannaus voi helposti aiheuttaa neulan kärjen törmäyksen näytteen pintaan, mikä johtaa vaurioon neulan kärjen ja näytteen välillä. pinta.
AFM:n toimintaperiaate
AFM:n perusperiaate on samanlainen kuin STM:ssä, jossa joustavan ulokkeen neulankärjellä, joka on erittäin herkkä heikkoille voimille, suoritetaan hilaskannaus näytteen pinnalla. Kun neulan kärjen ja näytteen pinnan välinen etäisyys on hyvin lähellä, neulan kärjessä olevien atomien ja näytteen pinnalla olevien atomien välillä on erittäin heikko voima (10-12-10-6N). näyte. Tällä hetkellä mikrouloke käy läpi pienen elastisen muodonmuutoksen. Neulan kärjen ja näytteen välinen voima F ja mikroulokkeen muodonmuutos noudattavat Hooken lakia: F=- k * x, missä k on mikroulokkeen voimavakio. Niin kauan kuin mikroulokkeen muodonmuutosmuuttujan koko mitataan, voidaan saada neulan kärjen ja näytteen välisen voiman suuruus. Neulan kärjen ja näytteen välinen voima riippuu voimakkaasti etäisyydestä, joten skannausprosessin aikana käytetään takaisinkytkentäsilmukkaa ylläpitämään vakiovoimaa neulan kärjen ja näytteen välillä, jota ylläpidetään ulokkeen muotoisena muuttujana. Neulan kärki liikkuu ylös ja alas näytteen pinnan vaihtelun mukana, ja neulan kärjen ylös- ja alasliikkeen liikerata voidaan tallentaa saadakseen tietoa näytteen pinnan morfologiasta. Tätä työtilaa kutsutaan "Constant Force Mode" -tilaksi ja se on yleisimmin käytetty skannausmenetelmä.
AFM-kuvia voidaan saada myös käyttämällä "Constant Height Mode" -tilaa, mikä tarkoittaa, että X, Y-skannausprosessin aikana ei käytetä takaisinkytkentäsilmukkaa ylläpitämään tasaista etäisyyttä neulan kärjen ja näytteen välillä, ja kuvantaminen saadaan aikaan mittaamalla muotomuuttuja mikroulokkeen Z-suunnassa. Tämä menetelmä ei käytä takaisinkytkentäsilmukkaa, ja se voi ottaa käyttöön suuremman skannausnopeuden. Sitä käytetään yleensä useammin tarkasteltaessa atomi- ja molekyylikuvia, mutta se ei sovellu näytteille, joissa on suuria pintavaihteluita.
