Načelo STM in AFM načelo delovanja mikroskopov
Načelo delovanja STM
STM deluje z uporabo učinka kvantnega tuneliranja. Če kovinsko konico igle uporabimo kot eno elektrodo in izmerjeni trdni vzorec uporabimo kot drugo elektrodo, bo prišlo do učinka tuneliranja, ko bo razdalja med njima približno 1 nm, elektroni pa bodo prešli skozi prostorsko potencialno pregrado od ene elektrode do druge elektroda za tvorbo toka. In Ub: prednapetost; k: Konstanta, približno enaka 1, Φ 1/2: Povprečna delovna funkcija, S: Razdalja.
Iz zgornje enačbe je razvidno, da ima tunelski tok negativno eksponentno razmerje z razmikom S med vzorci konice igle. Zelo občutljiv na spremembe razmika. Zato, ko konica igle izvaja planarno skeniranje na površini testiranega vzorca, tudi če ima površina samo nihanja v atomskem obsegu, bo to povzročilo zelo pomembne spremembe v tunelskem toku ali celo blizu reda velikosti. Na ta način se lahko nihanje atomske lestvice na površini odraža z merjenjem sprememb toka, kot je prikazano na desni strani naslednje slike. To je osnovni princip delovanja STM, ki se imenuje način konstantne višine (ohranjanje konstantne višine konice igle).
STM ima še en način delovanja, imenovan način konstantnega toka, kot je prikazano na levi strani slike. Na tej točki se med postopkom skeniranja igle tok tunela vzdržuje konstanten prek elektronske povratne zanke. Za vzdrževanje konstantnega toka se konica igle premika gor in dol z nihanjem površine vzorca, s čimer se zabeleži, da obstaja še en način delovanja STM na konici igle, imenovan način konstantnega toka, kot je prikazano na levi strani slike. spodaj. Na tej točki se med postopkom skeniranja igle tok tunela vzdržuje konstanten prek elektronske povratne zanke. Za vzdrževanje konstantnega toka se konica igle premika navzgor in navzdol z nihanjem površine vzorca, s čimer se beleži pot gibanja konice igle navzgor in navzdol in zagotavlja morfologija površine vzorca.
Način konstantnega toka je običajno uporabljen delovni način za STM, medtem ko je način konstantne višine primeren samo za slikanje vzorcev z majhnimi površinskimi nihanji. Ko površina vzorca močno niha, ker je konica igle zelo blizu površine vzorca, lahko uporaba skeniranja v načinu s konstantno višino zlahka povzroči, da konica igle trči v površino vzorca, kar povzroči poškodbe med konico igle in vzorcem. površino.
Načelo delovanja AFM
Osnovno načelo AFM je podobno STM, pri katerem se konica igle na elastični konzoli, ki je zelo občutljiva na šibke sile, uporablja za izvajanje skeniranja rešetke na površini vzorca. Ko je razdalja med konico igle in površino vzorca zelo blizu, je med atomi na konici igle in atomi na površini vzorca zelo šibka sila (10-12-10-6N). vzorec. V tem času bo mikrokonzola podvržena majhni elastični deformaciji. Sila F med konico igle in vzorcem ter deformacija mikrokonzole sledita Hookovemu zakonu: F=- k * x, kjer je k konstanta sile mikrokonzole. Torej, dokler se meri velikost spremenljivke deformacije mikro konzole, je mogoče pridobiti velikost sile med konico igle in vzorcem. Sila med konico igle in vzorcem je močno odvisna od razdalje, zato se med postopkom skeniranja uporablja povratna zanka za vzdrževanje konstantne sile med konico igle in vzorcem, ki se vzdržuje kot spremenljivka oblike konzole. Konica igle se bo premikala navzgor in navzdol z nihanjem površine vzorca, pot gibanja konice igle navzgor in navzdol pa je mogoče zabeležiti, da se pridobijo informacije o morfologiji površine vzorca. Ta način dela se imenuje 'način konstantne sile' in je najpogosteje uporabljena metoda skeniranja.
Slike AFM je mogoče dobiti tudi z uporabo "načina konstantne višine", kar pomeni, da se med postopkom skeniranja X, Y ne uporablja povratna zanka za vzdrževanje konstantne razdalje med konico igle in vzorcem, slikanje pa se doseže z merjenjem spremenljiva oblika v smeri Z mikrokonzole. Ta metoda ne uporablja povratne zanke in lahko sprejme večjo hitrost skeniranja. Običajno se pogosteje uporablja pri opazovanju atomskih in molekularnih slik, vendar ni primeren za vzorce z velikimi površinskimi fluktuacijami.
