A mikroszkópok STM elve és AFM működési elve
Az STM működési elve
Az STM a kvantum alagút effektus felhasználásával működik. Ha a fém tűhegyet használják egyik elektródaként, és a mért szilárd mintát egy másik elektródaként, alagúthatás lép fel, amikor a távolság körülbelül 1 nm, és az elektronok áthaladnak a térbeli potenciálgáton az egyik elektródától a másikig. elektródát, hogy áramot képezzen. És Ub: előfeszítő feszültség; k: Állandó, megközelítőleg egyenlő 1-gyel, Φ 1/2: Átlagos munkafüggvény, S: Távolság.
A fenti egyenletből látható, hogy az alagútáram negatív exponenciális kapcsolatban áll a tűhegyminták közötti S távolsággal. Nagyon érzékeny a térköz változásaira. Ezért amikor a tűhegy síkbeli letapogatást végez a vizsgált minta felületén, még ha a felületen csak atomi léptékingadozások vannak, az nagyon jelentős, vagy akár egy nagyságrendhez közeli változást okoz az alagútáramban. Ily módon az atomi lépték fluktuációja a felületen az áram változásának mérésével tükrözhető, amint az a következő ábra jobb oldalán látható. Ez az STM alapvető működési elve, amit állandó magasságú üzemmódnak neveznek (a tűhegy magasságának állandó tartása).
Az STM-nek van egy másik üzemmódja is, az úgynevezett állandó áramú üzemmód, amint az az ábra bal oldalán látható. Ezen a ponton a tűszkennelési folyamat során az alagútáramot egy elektronikus visszacsatoló hurkon keresztül állandóan tartják. Az állandó áram fenntartása érdekében a tű hegye fel-le mozog a minta felületének ingadozásával, így rögzítve, hogy van egy másik STM üzemmód a tű hegyén, az úgynevezett állandó áram üzemmód, ahogy az az ábra bal oldalán látható. lent. Ezen a ponton a tűszkennelési folyamat során az alagútáramot egy elektronikus visszacsatoló hurkon keresztül állandóan tartják. Az állandó áram fenntartása érdekében a tű hegye fel-le mozog a minta felületének ingadozásával, ezáltal rögzíti a tű hegyének fel-le mozgásának pályáját, és biztosítja a minta felületének morfológiáját.
Az állandóáramú mód az STM-nél általánosan használt munkamód, míg az állandó magasságú mód csak kis felületi ingadozású minták képalkotására alkalmas. Ha a minta felülete jelentősen ingadozik, mivel a tű hegye nagyon közel van a minta felületéhez, az állandó magasságú pásztázás segítségével a tű hegye könnyen ütközhet a minta felületével, ami a tű hegye és a minta közötti sérüléshez vezethet. felület.
Az AFM működési elve
Az AFM alapelve hasonló az STM-hez, amelyben a gyenge erőhatásokra nagyon érzékeny rugalmas konzolon lévő tűhegy segítségével rácsszkennelést végeznek a minta felületén. Ha a tű hegye és a minta felülete közötti távolság nagyon közel van, nagyon gyenge erő (10-12-10-6N) van a tű hegyén lévő atomok és a tű felszínén lévő atomok között. minta. Ekkor a mikrokonzol kis rugalmas deformáción megy keresztül. A tűhegy és a minta közötti F erő, valamint a mikrokonzol deformációja a Hooke-törvényt követi: F=- k * x, ahol k a mikrokonzol erőállandója. Tehát mindaddig, amíg a mikrokonzolos alakváltozási változó méretét mérjük, megkaphatjuk a tű hegye és a minta közötti erő nagyságát. A tű hegye és a minta közötti erő erősen függ a távolságtól, ezért a pásztázási folyamat során visszacsatoló hurkot használnak, hogy állandó erőt tartsanak fenn a tű hegye és a minta között, amelyet konzolos alakváltozóként tartanak fenn. A tű hegye a minta felületének ingadozásával felfelé és lefelé mozog, és a tű hegyének fel-le mozgásának pályája rögzíthető, hogy információt kapjunk a minta felületi morfológiájáról. Ezt a munkamódot „állandó erő üzemmódnak” nevezik, és ez a legszélesebb körben használt szkennelési módszer.
Az AFM-képek a "Constant Height Mode" használatával is előállíthatók, ami azt jelenti, hogy az X, Y szkennelési folyamat során nem használnak visszacsatoló hurkot a tűhegy és a minta közötti állandó távolság fenntartására, és a képalkotás a tűhegy mérésével történik. alakváltozó a mikrokonzol Z irányában. Ez a módszer nem használ visszacsatolási hurkot, és nagyobb szkennelési sebességet is alkalmazhat. Általában gyakrabban használják atom- és molekulaképek megfigyelésekor, de nem alkalmas nagy felületi fluktuációjú mintákra.
