Принцип STM і АСМ принцип роботи мікроскопів
Принцип роботи STM
STM працює, використовуючи ефект квантового тунелювання. Якщо металевий кінчик голки використовується як один електрод, а вимірюваний твердий зразок використовується як інший електрод, ефект тунелювання виникне, коли відстань між ними становить близько 1 нм, і електрони проходитимуть через просторовий потенційний бар’єр від одного електрода до іншого. електрод для утворення струму. А Ub: напруга зміщення; k: Константа, приблизно дорівнює 1, Φ 1/2: Середня робота виходу, S: Відстань.
З наведеного вище рівняння видно, що тунельний струм має негативну експоненціальну залежність від відстані S між зразками кінчика голки. Дуже чутливі до зміни інтервалу. Таким чином, коли кінчик голки виконує планарне сканування поверхні досліджуваного зразка, навіть якщо поверхня має лише флуктуації атомного масштабу, це спричинить дуже значні або навіть близькі до порядку величини зміни в тунельному струмі. Таким чином, коливання атомного масштабу на поверхні можна відобразити шляхом вимірювання змін струму, як показано на правій стороні наступного малюнка. Це основний принцип роботи STM, який називається режимом постійної висоти (підтримуючи постійну висоту кінчика голки).
STM має інший режим роботи, який називається режимом постійного струму, як показано на лівій стороні малюнка. У цей момент під час процесу сканування голкою тунельний струм підтримується постійним через електронну петлю зворотного зв’язку. Щоб підтримувати постійний струм, кінчик голки рухається вгору та вниз разом із коливаннями поверхні зразка, таким чином реєструючи наявність іншого робочого режиму STM на кінчику голки, який називається режимом постійного струму, як показано на лівій стороні малюнка. нижче. У цей момент під час процесу сканування голкою тунельний струм підтримується постійним через електронну петлю зворотного зв’язку. Щоб підтримувати постійний струм, кінчик голки рухається вгору та вниз разом із коливаннями поверхні зразка, таким чином записуючи траєкторію руху кінчика голки вгору та вниз і забезпечуючи морфологію поверхні зразка.
Режим постійного струму є широко використовуваним робочим режимом для STM, тоді як режим постійної висоти підходить лише для зображення зразків із невеликими коливаннями поверхні. Коли поверхня зразка значно коливається через те, що кінчик голки знаходиться дуже близько до поверхні зразка, використання сканування в режимі постійної висоти може легко спричинити зіткнення кінчика голки з поверхнею зразка, що призведе до пошкодження між кінчиком голки та зразком. поверхні.
Принцип роботи АСМ
Основний принцип АСМ подібний до СТМ, у якому кінчик голки на еластичному кантилевері, який дуже чутливий до слабких сил, використовується для сканування решітки на поверхні зразка. Коли відстань між кінчиком голки та поверхнею зразка дуже близька, між атомами на кінчику голки та атомами на поверхні зразка діє дуже слабка сила (10-12-10-6N). зразок. У цей час мікрокантилевер зазнає невеликої пружної деформації. Сила F між кінчиком голки та зразком і деформація мікрокантилевера відповідають закону Гука: F=- k * x, де k — силова константа мікрокантилевера. Отже, поки вимірюється розмір змінної деформації мікрокантилевера, можна отримати величину сили між кінчиком голки та зразком. Сила між кінчиком голки та зразком сильно залежить від відстані, тому під час процесу сканування використовується петля зворотного зв’язку для підтримки постійної сили між кінчиком голки та зразком, яка підтримується як змінна форми кантилевера. Кінчик голки рухатиметься вгору та вниз разом із коливаннями поверхні зразка, і траєкторію руху кінчика голки вгору та вниз можна записати, щоб отримати інформацію про морфологію поверхні зразка. Цей робочий режим називається «Режим постійної сили» і є найпоширенішим методом сканування.
АСМ-зображення також можна отримати за допомогою «Режиму постійної висоти», що означає, що під час процесу сканування X, Y не використовується петля зворотного зв’язку для підтримки постійної відстані між кінчиком голки та зразком, а зображення досягається шляхом вимірювання форма змінна в напрямку Z мікрокантилевера. Цей метод не використовує цикл зворотного зв’язку та може використовувати вищу швидкість сканування. Зазвичай він використовується частіше під час спостереження атомних і молекулярних зображень, але не підходить для зразків із великими флуктуаціями поверхні.
