Princip STM a AFM pracovní princip mikroskopů
Princip činnosti STM
STM funguje tak, že využívá efekt kvantového tunelování. Pokud je kovový hrot jehly použit jako jedna elektroda a měřený pevný vzorek je použit jako další elektroda, dojde k tunelovému efektu, když je vzdálenost mezi nimi asi 1 nm, a elektrony budou procházet prostorovou potenciálovou bariérou z jedné elektrody na druhou. elektrodou k vytvoření proudu. A Ub: předpětí; k: Konstanta, přibližně rovna 1, Φ 1/2: Průměrná pracovní funkce, S: Vzdálenost.
Z výše uvedené rovnice je vidět, že tunelový proud má negativní exponenciální vztah s rozestupem S mezi vzorky hrotu jehly. Velmi citlivé na změny v rozestupech. Proto, když hrot jehly provádí planární sken na povrchu testovaného vzorku, i když má povrch pouze fluktuace atomového měřítka, způsobí to velmi významné, nebo dokonce řádově velké změny v tunelovém proudu. Tímto způsobem lze kolísání atomového měřítka na povrchu odrážet měřením změn proudu, jak je znázorněno na pravé straně následujícího obrázku. Toto je základní pracovní princip STM, který se nazývá režim konstantní výšky (udržování konstantní výšky hrotu jehly).
STM má další provozní režim, nazývaný režim konstantního proudu, jak je znázorněno na levé straně obrázku. V tomto okamžiku, během procesu skenování jehly, je tunelový proud udržován konstantní prostřednictvím elektronické zpětnovazební smyčky. Pro udržení konstantního proudu se špička jehly pohybuje nahoru a dolů s kolísáním povrchu vzorku, čímž se zaznamenává, že na špičce jehly existuje další pracovní režim STM, nazývaný režim konstantního proudu, jak je znázorněno na levé straně obrázku níže. V tomto okamžiku, během procesu skenování jehly, je tunelový proud udržován konstantní prostřednictvím elektronické zpětnovazební smyčky. Pro udržení konstantního proudu se hrot jehly pohybuje nahoru a dolů s fluktuací povrchu vzorku, čímž zaznamenává trajektorii pohybu hrotu jehly nahoru a dolů a poskytuje morfologii povrchu vzorku.
Režim konstantního proudu je běžně používaným pracovním režimem pro STM, zatímco režim konstantní výšky je vhodný pouze pro zobrazování vzorků s malými fluktuacemi povrchu. Když povrch vzorku výrazně kolísá, protože hrot jehly je velmi blízko povrchu vzorku, může použití skenování v režimu konstantní výšky snadno způsobit kolizi hrotu jehly s povrchem vzorku, což vede k poškození mezi hrotem jehly a vzorkem povrch.
Princip činnosti AFM
Základní princip AFM je podobný STM, ve kterém je hrot jehly na elastickém nosníku, který je velmi citlivý na slabé síly, použit k provádění mřížkového skenování na povrchu vzorku. Když je vzdálenost mezi špičkou jehly a povrchem vzorku velmi blízko, existuje velmi slabá síla (10-12-10-6N) mezi atomy na špičce jehly a atomy na povrchu vzorku. vzorek. V tomto okamžiku podstoupí mikrokonzola malou elastickou deformaci. Síla F mezi špičkou jehly a vzorkem a deformace mikrokonzoly se řídí Hookovým zákonem: F=- k * x, kde k je silová konstanta mikrokonzoly. Takže pokud se měří velikost proměnné deformace mikrokonzoly, lze získat velikost síly mezi špičkou jehly a vzorkem. Síla mezi špičkou jehly a vzorkem je silně závislá na vzdálenosti, proto se během procesu skenování používá zpětnovazební smyčka k udržení konstantní síly mezi špičkou jehly a vzorkem, která je udržována jako proměnná tvaru konzoly. Špička jehly se bude pohybovat nahoru a dolů s fluktuací povrchu vzorku a trajektorii pohybu špičky jehly nahoru a dolů lze zaznamenat, aby se získaly informace o povrchové morfologii vzorku. Tento pracovní režim se nazývá „Režim konstantní síly“ a je nejrozšířenější metodou skenování.
Snímky AFM lze také získat pomocí "Constant Height Mode", což znamená, že během procesu skenování X, Y se nepoužívá smyčka zpětné vazby k udržení konstantní vzdálenosti mezi špičkou jehly a vzorkem a zobrazení je dosaženo měřením tvarově variabilní ve směru Z mikrokonzoly. Tato metoda nepoužívá zpětnovazební smyčku a může přijmout vyšší rychlost skenování. Obvykle se používá častěji při pozorování atomových a molekulárních obrazů, ale není vhodný pro vzorky s velkými povrchovými fluktuacemi.