STM princips un mikroskopu AFM darba princips
STM darbības princips
STM darbojas, izmantojot kvantu tunelēšanas efektu. Ja metāla adatas galu izmanto kā vienu elektrodu un izmērīto cieto paraugu izmanto kā citu elektrodu, tad, kad attālums starp tiem ir aptuveni 1 nm, rodas tunelēšanas efekts un elektroni šķērsos telpiskā potenciāla barjeru no viena elektroda uz otru. elektrodu, lai izveidotu strāvu. Un Ub: nobīdes spriegums; k: konstante, aptuveni vienāda ar 1, Φ 1/2: vidējā darba funkcija, S: attālums.
No iepriekš minētā vienādojuma var redzēt, ka tuneļa strāvai ir negatīva eksponenciāla attiecība ar atstarpi S starp adatas galu paraugiem. Ļoti jutīgs pret atstatuma izmaiņām. Tāpēc, kad adatas gals veic plakanu skenēšanu uz pārbaudītā parauga virsmas, pat ja virsmai ir tikai atomu mēroga svārstības, tas izraisīs ļoti būtiskas vai pat tuvu lieluma pakāpei tuneļa strāvas izmaiņas. Tādā veidā atomu mēroga svārstības uz virsmas var atspoguļot, mērot strāvas izmaiņas, kā parādīts nākamā attēla labajā pusē. Šis ir STM darbības pamatprincips, ko sauc par nemainīga augstuma režīmu (adatas gala augstuma saglabāšana nemainīgā līmenī).
STM ir vēl viens darbības režīms, ko sauc par pastāvīgās strāvas režīmu, kā parādīts attēla kreisajā pusē. Šajā brīdī adatas skenēšanas procesa laikā tuneļa strāva tiek uzturēta nemainīga, izmantojot elektronisku atgriezeniskās saites cilpu. Lai uzturētu nemainīgu strāvu, adatas gals pārvietojas uz augšu un uz leju līdz ar parauga virsmas svārstībām, tādējādi ierakstot, ka uz adatas gala ir cits STM darba režīms, ko sauc par pastāvīgās strāvas režīmu, kā parādīts attēla kreisajā pusē. zemāk. Šajā brīdī adatas skenēšanas procesa laikā tuneļa strāva tiek uzturēta nemainīga, izmantojot elektronisku atgriezeniskās saites cilpu. Lai uzturētu nemainīgu strāvu, adatas gals pārvietojas uz augšu un uz leju līdz ar parauga virsmas svārstībām, tādējādi fiksējot adatas gala kustības augšup un lejup trajektoriju un nodrošinot parauga virsmas morfoloģiju.
Pastāvīgās strāvas režīms ir plaši izmantots STM darba režīms, savukārt nemainīga augstuma režīms ir piemērots tikai attēlveidošanai paraugiem ar nelielām virsmas svārstībām. Ja parauga virsma ievērojami svārstās, jo adatas gals atrodas ļoti tuvu parauga virsmai, pastāvīga augstuma režīma skenēšana var viegli izraisīt adatas gala sadursmi ar parauga virsmu, izraisot adatas galu un parauga bojājumus. virsmas.
AFM darbības princips
AFM pamatprincips ir līdzīgs STM, kurā, lai veiktu režģa skenēšanu uz parauga virsmas, tiek izmantots adatas uzgalis uz elastīgas konsoles, kas ir ļoti jutīgs pret vājiem spēkiem. Ja attālums starp adatas galu un parauga virsmu ir ļoti tuvs, starp atomiem adatas galā un atomiem uz adatas virsmas ir ļoti vājš spēks (10-12-10-6N). paraugs. Šajā laikā mikrokonsole tiks pakļauta nelielai elastīgai deformācijai. Spēks F starp adatas galu un paraugu un mikrokontiles deformācija atbilst Huka likumam: F=- k * x, kur k ir mikrokontiles spēka konstante. Tātad, kamēr tiek mērīts mikrokonsoles deformācijas mainīgā lielums, var iegūt spēka lielumu starp adatas galu un paraugu. Spēks starp adatas galu un paraugu ir ļoti atkarīgs no attāluma, tāpēc skenēšanas procesā tiek izmantota atgriezeniskās saites cilpa, lai uzturētu nemainīgu spēku starp adatas galu un paraugu, kas tiek uzturēts kā konsoles formas mainīgais. Adatas gals pārvietosies uz augšu un uz leju līdz ar parauga virsmas svārstībām, un var reģistrēt adatas gala kustības augšup un lejup trajektoriju, lai iegūtu informāciju par parauga virsmas morfoloģiju. Šo darba režīmu sauc par “Constant Force Mode” un ir visplašāk izmantotā skenēšanas metode.
AFM attēlus var iegūt arī, izmantojot "Constant Height Mode", kas nozīmē, ka X, Y skenēšanas procesā netiek izmantota atgriezeniskā saite, lai uzturētu nemainīgu attālumu starp adatas galu un paraugu, un attēlveidošana tiek panākta, mērot formas mainīgais mikrokontilera Z virzienā. Šī metode neizmanto atgriezeniskās saites cilpu un var izmantot lielāku skenēšanas ātrumu. To parasti izmanto biežāk, novērojot atomu un molekulāros attēlus, taču tas nav piemērots paraugiem ar lielām virsmas svārstībām.
