Prinsip STM dan Prinsip Kerja AFM Mikroskop
Prinsip kerja STM
STM berfungsi dengan menggunakan kesan terowong kuantum. Jika hujung jarum logam digunakan sebagai satu elektrod dan sampel pepejal yang diukur digunakan sebagai elektrod lain, kesan terowong akan berlaku apabila jarak antara mereka adalah kira-kira 1nm, dan elektron akan melalui halangan potensi ruang dari satu elektrod ke elektrod yang lain. elektrod untuk membentuk arus. Dan Ub: voltan pincang; k: Malar, lebih kurang sama dengan 1, Φ 1/2: Purata fungsi kerja, S: Jarak.
Daripada persamaan di atas, dapat dilihat bahawa arus terowong mempunyai hubungan eksponen negatif dengan jarak S antara sampel hujung jarum. Sangat sensitif kepada perubahan dalam jarak. Oleh itu, apabila hujung jarum melakukan imbasan planar pada permukaan sampel yang diuji, walaupun permukaannya hanya mempunyai turun naik skala atom, ia akan menyebabkan perubahan yang sangat ketara, atau hampir dengan susunan magnitud, dalam arus terowong. Dengan cara ini, turun naik skala atom pada permukaan boleh dicerminkan dengan mengukur perubahan arus, seperti yang ditunjukkan di sebelah kanan rajah berikut. Ini adalah prinsip kerja asas STM, yang dipanggil mod ketinggian malar (menjaga ketinggian hujung jarum tetap).
STM mempunyai mod pengendalian lain, dipanggil mod arus malar, seperti yang ditunjukkan di sebelah kiri rajah. Pada ketika ini, semasa proses pengimbasan jarum, arus terowong dikekalkan malar melalui gelung maklum balas elektronik. Untuk mengekalkan arus malar, hujung jarum bergerak ke atas dan ke bawah dengan turun naik permukaan sampel, dengan itu merekodkan bahawa terdapat satu lagi mod kerja STM pada hujung jarum, dipanggil mod arus malar, seperti yang ditunjukkan di sebelah kiri rajah. di bawah. Pada ketika ini, semasa proses pengimbasan jarum, arus terowong dikekalkan malar melalui gelung maklum balas elektronik. Untuk mengekalkan arus yang berterusan, hujung jarum bergerak ke atas dan ke bawah dengan turun naik permukaan sampel, dengan itu merekodkan trajektori pergerakan ke atas dan ke bawah hujung jarum, dan menyediakan morfologi permukaan sampel.
Mod arus malar ialah mod kerja yang biasa digunakan untuk STM, manakala mod ketinggian malar hanya sesuai untuk sampel pengimejan dengan turun naik permukaan yang kecil. Apabila permukaan sampel berubah-ubah dengan ketara, disebabkan hujung jarum sangat hampir dengan permukaan sampel, menggunakan pengimbasan mod ketinggian berterusan dengan mudah boleh menyebabkan hujung jarum berlanggar dengan permukaan sampel, yang membawa kepada kerosakan antara hujung jarum dan sampel. permukaan.
Prinsip kerja AFM
Prinsip asas AFM adalah serupa dengan STM, di mana hujung jarum pada julur elastik yang sangat sensitif kepada daya lemah digunakan untuk melakukan pengimbasan parut pada permukaan sampel. Apabila jarak antara hujung jarum dan permukaan sampel adalah sangat dekat, terdapat daya yang sangat lemah (10-12-10-6N) antara atom di hujung jarum dan atom pada permukaan sampel. Pada masa ini, mikrocantilever akan mengalami ubah bentuk elastik kecil. Daya F antara hujung jarum dan sampel dan ubah bentuk mikrocantilever mengikut hukum Hooke: F=- k * x, dengan k ialah pemalar daya mikrocantilever. Jadi, selagi saiz pembolehubah ubah bentuk julur mikro diukur, magnitud daya antara hujung jarum dan sampel boleh diperolehi. Daya antara hujung jarum dan sampel sangat bergantung pada jarak, jadi gelung maklum balas digunakan semasa proses pengimbasan untuk mengekalkan daya malar antara hujung jarum dan sampel, yang dikekalkan sebagai pembolehubah bentuk julur. Hujung jarum akan bergerak ke atas dan ke bawah dengan turun naik permukaan sampel, dan trajektori pergerakan hujung jarum ke atas dan ke bawah boleh direkodkan untuk mendapatkan maklumat tentang morfologi permukaan sampel. Mod kerja ini dipanggil 'Mod Daya Malar' dan merupakan kaedah pengimbasan yang paling banyak digunakan.
Imej AFM juga boleh diperoleh menggunakan "Mod Ketinggian Malar", yang bermaksud bahawa semasa proses pengimbasan X, Y, tiada gelung maklum balas digunakan untuk mengekalkan jarak tetap antara hujung jarum dan sampel, dan pengimejan dicapai dengan mengukur pembolehubah bentuk dalam arah Z mikrocantilever. Kaedah ini tidak menggunakan gelung maklum balas dan boleh menggunakan kelajuan pengimbasan yang lebih tinggi. Ia biasanya digunakan dengan lebih kerap apabila memerhati imej atom dan molekul, tetapi tidak sesuai untuk sampel dengan turun naik permukaan yang besar.
