Принцип СТМ и принцип работы АСМ микроскопов
Принцип работы СТМ
СТМ работает, используя эффект квантового туннелирования. Если в качестве одного электрода использовать металлический кончик иглы, а в качестве другого электрода — измеряемый твердый образец, то при расстоянии между ними около 1 нм возникнет туннельный эффект, и электроны перейдут через пространственный потенциальный барьер от одного электрода к другому. электрод для формирования тока. И Ub: напряжение смещения; k: константа, приблизительно равная 1, Φ 1/2: средняя работа выхода, S: расстояние.
Из приведенного выше уравнения видно, что туннельный ток имеет отрицательную экспоненциальную зависимость от расстояния S между образцами кончика иглы. Очень чувствителен к изменениям расстояния. Поэтому, когда острие иглы выполняет планарное сканирование поверхности испытуемого образца, даже если поверхность имеет только флуктуации атомного масштаба, это вызовет очень значительные, или даже близкие к порядку, изменения туннельного тока. Таким образом, колебания атомного масштаба на поверхности можно отразить, измеряя изменения тока, как показано в правой части следующего рисунка. Это основной принцип работы СТМ, который называется режимом постоянной высоты (поддержание постоянной высоты кончика иглы).
У STM есть еще один режим работы, называемый режимом постоянного тока, как показано в левой части рисунка. В этот момент, во время процесса сканирования иглы, туннельный ток поддерживается постоянным посредством электронной петли обратной связи. Чтобы поддерживать постоянный ток, кончик иглы перемещается вверх и вниз в соответствии с колебаниями поверхности образца, таким образом фиксируя, что на кончике иглы существует еще один рабочий режим СТМ, называемый режимом постоянного тока, как показано на левой стороне рисунка. ниже. В этот момент, во время процесса сканирования иглы, туннельный ток поддерживается постоянным посредством электронной петли обратной связи. Для поддержания постоянного тока кончик иглы перемещается вверх и вниз в соответствии с колебаниями поверхности образца, тем самым записывая траекторию движения кончика иглы вверх и вниз и обеспечивая морфологию поверхности образца.
Режим постоянного тока является широко используемым рабочим режимом для СТМ, тогда как режим постоянной высоты подходит только для изображений образцов с небольшими поверхностными флуктуациями. Когда поверхность образца значительно колеблется из-за того, что кончик иглы находится очень близко к поверхности образца, использование режима сканирования с постоянной высотой может легко привести к столкновению кончика иглы с поверхностью образца, что приведет к повреждению между кончиком иглы и образцом. поверхность.
Принцип работы АСМ.
Основной принцип АСМ аналогичен СТМ, в котором кончик иглы на упругом кантилевере, очень чувствительном к слабым силам, используется для сканирования решетки на поверхности образца. Когда расстояние между кончиком иглы и поверхностью образца очень близко, между атомами на кончике иглы и атомами на поверхности образца действует очень слабая сила (10-12-10-6N). образец. В это время микрокантилевер подвергнется небольшой упругой деформации. Сила F между кончиком иглы и образцом и деформация микрокантилевера подчиняются закону Гука: F=- k * x, где k — силовая постоянная микрокантилевера. Таким образом, пока измерен размер переменной деформации микрокантилевера, можно получить величину силы между кончиком иглы и образцом. Сила между кончиком иглы и образцом сильно зависит от расстояния, поэтому в процессе сканирования используется петля обратной связи для поддержания постоянной силы между кончиком иглы и образцом, которая поддерживается как переменная форма кантилевера. Кончик иглы будет двигаться вверх и вниз при колебании поверхности образца, а траекторию движения кончика иглы вверх и вниз можно записать, чтобы получить информацию о морфологии поверхности образца. Этот рабочий режим называется «Режим постоянной силы» и является наиболее широко используемым методом сканирования.
Изображения АСМ также можно получить с использованием «Режима постоянной высоты», что означает, что во время процесса сканирования X, Y не используется петля обратной связи для поддержания постоянного расстояния между кончиком иглы и образцом, а визуализация достигается путем измерения переменная формы в направлении Z микрокантилевера. Этот метод не использует петлю обратной связи и может обеспечить более высокую скорость сканирования. Обычно его чаще используют при наблюдении атомных и молекулярных изображений, но он не подходит для образцов с большими флуктуациями поверхности.
