STM-principe en AFM-werkprincipe van microscopen
Werkingsprincipe van STM
STM werkt door gebruik te maken van het kwantumtunneleffect. Als de metalen naaldpunt als één elektrode wordt gebruikt en het gemeten vaste monster als een andere elektrode wordt gebruikt, zal er een tunneleffect optreden wanneer de afstand daartussen ongeveer 1 nm is, en zullen elektronen door de ruimtelijke potentiaalbarrière van de ene elektrode naar de andere gaan. elektrode om een stroom te vormen. En Ub: voorspanning; k: Constant, ongeveer gelijk aan 1, Φ 1/2: Gemiddelde werkfunctie, S: Afstand.
Uit de bovenstaande vergelijking kan worden afgeleid dat de tunnelstroom een negatief exponentiële relatie heeft met de afstand S tussen de naaldpuntmonsters. Zeer gevoelig voor veranderingen in de afstand. Daarom zal, wanneer de naaldpunt een vlakke scan uitvoert op het oppervlak van het geteste monster, zelfs als het oppervlak alleen fluctuaties op atomaire schaal vertoont, zeer significante, of zelfs bijna een orde van grootte, veranderingen in de tunnelstroom veroorzaken. Op deze manier kan de fluctuatie op atomaire schaal op het oppervlak worden weerspiegeld door de veranderingen in de stroom te meten, zoals weergegeven aan de rechterkant van de volgende afbeelding. Dit is het basiswerkprincipe van STM, dat de constante-hoogtemodus wordt genoemd (de hoogte van de naaldpunt constant houden).
STM heeft een andere bedrijfsmodus, de zogenaamde constante stroommodus, zoals weergegeven aan de linkerkant van de afbeelding. Op dit punt wordt tijdens het naaldscanproces de tunnelstroom constant gehouden via een elektronische feedbacklus. Om een constante stroom te behouden, beweegt de naaldpunt op en neer met de fluctuatie van het monsteroppervlak, waardoor wordt geregistreerd dat er een andere werkmodus van STM op de naaldpunt is, de zogenaamde constante stroommodus, zoals weergegeven aan de linkerkant van de afbeelding onderstaand. Op dit punt wordt tijdens het naaldscanproces de tunnelstroom constant gehouden via een elektronische feedbacklus. Om een constante stroom te behouden, beweegt de naaldpunt op en neer met de fluctuatie van het monsteroppervlak, waardoor het traject van de op- en neerwaartse beweging van de naaldpunt wordt geregistreerd en de morfologie van het monsteroppervlak wordt verkregen.
De constante stroommodus is een veelgebruikte werkmodus voor STM, terwijl de constante hoogtemodus alleen geschikt is voor het afbeelden van monsters met kleine oppervlaktefluctuaties. Wanneer het oppervlak van het monster aanzienlijk fluctueert, omdat de naaldpunt zich zeer dicht bij het monsteroppervlak bevindt, kan het gebruik van scannen met constante hoogte er gemakkelijk voor zorgen dat de naaldpunt in botsing komt met het monsteroppervlak, wat leidt tot schade tussen de naaldpunt en het monster. oppervlak.
Het werkingsprincipe van de AFM
Het basisprincipe van AFM is vergelijkbaar met STM, waarbij een naaldpunt op een elastische cantilever die zeer gevoelig is voor zwakke krachten wordt gebruikt om roosterscans uit te voeren op het oppervlak van het monster. Wanneer de afstand tussen de punt van de naald en het oppervlak van het monster heel klein is, is er een zeer zwakke kracht (10-12-10-6N) tussen de atomen aan de punt van de naald en de atomen op het oppervlak van de naald. steekproef. Op dit moment zal de microcantilever een kleine elastische vervorming ondergaan. De kracht F tussen de naaldpunt en het monster en de vervorming van de microcantilever volgen de wet van Hooke: F=- k * x, waarbij k de krachtconstante van de microcantilever is. Dus zolang de grootte van de micro-cantileververvormingsvariabele wordt gemeten, kan de grootte van de kracht tussen de naaldpunt en het monster worden verkregen. De kracht tussen de naaldpunt en het monster is sterk afhankelijk van de afstand, daarom wordt tijdens het scanproces een feedbacklus gebruikt om een constante kracht tussen de naaldpunt en het monster te handhaven, die wordt gehandhaafd als een cantilevervormvariabele. De naaldpunt beweegt op en neer met de fluctuatie van het monsteroppervlak, en het traject van de beweging van de naaldpunt op en neer kan worden geregistreerd om informatie te verkrijgen over de oppervlaktemorfologie van het monster. Deze werkmodus wordt de 'Constant Force Mode' genoemd en is de meest gebruikte scanmethode.
AFM-beelden kunnen ook worden verkregen met behulp van de "Constant Height Mode", wat betekent dat tijdens het X-, Y-scanproces geen feedbacklus wordt gebruikt om een constante afstand tussen de naaldpunt en het monster te behouden, en beeldvorming wordt bereikt door het meten van de vormvariabel in de Z-richting van de microcantilever. Deze methode maakt geen gebruik van een feedbacklus en kan een hogere scansnelheid hanteren. Het wordt meestal vaker gebruikt bij het observeren van atomaire en moleculaire beelden, maar is niet geschikt voor monsters met grote oppervlaktefluctuaties.
