اصل STM و اصل کاری AFM میکروسکوپ ها
اصل کار STM
STM با استفاده از اثر تونل کوانتومی کار می کند. اگر از نوک سوزن فلزی به عنوان یک الکترود و نمونه جامد اندازه گیری شده به عنوان الکترود دیگر استفاده شود، اثر تونل زنی زمانی رخ می دهد که فاصله بین آنها حدود 1 نانومتر باشد و الکترون ها از مانع پتانسیل فضایی از یک الکترود به الکترود دیگر عبور می کنند. الکترود برای تشکیل جریان و Ub: ولتاژ بایاس. k: ثابت، تقریباً برابر با 1، Φ 1/2: تابع کار متوسط، S: فاصله.
از معادله بالا می توان دریافت که جریان تونل رابطه نمایی منفی با فاصله S بین نمونه های نوک سوزن دارد. به تغییرات فاصله بسیار حساس است. بنابراین، هنگامی که نوک سوزن یک اسکن مسطح روی سطح نمونه آزمایش شده انجام می دهد، حتی اگر سطح فقط دارای نوسانات مقیاس اتمی باشد، تغییرات بسیار قابل توجه یا حتی نزدیک به یک مرتبه بزرگی در جریان تونل ایجاد می کند. به این ترتیب، همانطور که در سمت راست شکل زیر نشان داده شده است، می توان با اندازه گیری تغییرات جریان، نوسان مقیاس اتمی در سطح را منعکس کرد. این اصل کار STM است که به آن حالت ارتفاع ثابت ( ثابت نگه داشتن ارتفاع نوک سوزن ) می گویند.
STM حالت کار دیگری دارد که به آن حالت جریان ثابت می گویند که در سمت چپ شکل نشان داده شده است. در این مرحله، در طی فرآیند اسکن سوزنی، جریان تونل از طریق یک حلقه بازخورد الکترونیکی ثابت نگه داشته می شود. برای حفظ جریان ثابت، نوک سوزن با نوسانات سطح نمونه بالا و پایین می رود، بنابراین ثبت می شود که حالت کار دیگری از STM روی نوک سوزن وجود دارد که به آن حالت جریان ثابت می گویند، همانطور که در سمت چپ شکل نشان داده شده است. زیر در این مرحله، در طی فرآیند اسکن سوزنی، جریان تونل از طریق یک حلقه بازخورد الکترونیکی ثابت نگه داشته می شود. برای حفظ جریان ثابت، نوک سوزن با نوسانات سطح نمونه به بالا و پایین حرکت می کند، در نتیجه مسیر حرکت نوک سوزن بالا و پایین را ثبت می کند و مورفولوژی سطح نمونه را فراهم می کند.
حالت جریان ثابت یک حالت کار معمول برای STM است، در حالی که حالت ارتفاع ثابت تنها برای تصویربرداری از نمونه هایی با نوسانات سطح کوچک مناسب است. هنگامی که سطح نمونه نوسانات قابل توجهی داشته باشد، به دلیل نزدیک بودن نوک سوزن به سطح نمونه، استفاده از اسکن در حالت ارتفاع ثابت می تواند به راحتی باعث برخورد نوک سوزن با سطح نمونه شود و منجر به آسیب بین نوک سوزن و نمونه شود. سطح
اصل کار AFM
اصل اولیه AFM مشابه STM است که در آن از نوک سوزن روی یک کنسول الاستیک که به نیروهای ضعیف بسیار حساس است برای انجام اسکن گریتینگ روی سطح نمونه استفاده می شود. هنگامی که فاصله بین نوک سوزن و سطح نمونه بسیار نزدیک است، یک نیروی بسیار ضعیف ({0}}N) بین اتمهای نوک سوزن و اتمهای سطح سوزن وجود دارد. نمونه. در این زمان، microcantilever دچار تغییر شکل الاستیک کوچک می شود. نیروی F بین نوک سوزن و نمونه و تغییر شکل ریزکنتیور از قانون هوک پیروی می کند: F=- k * x، که در آن k ثابت نیروی میکروکنتیور است. بنابراین، تا زمانی که اندازه متغیر تغییر شکل ریز کنسول اندازه گیری شود، می توان مقدار نیروی بین نوک سوزن و نمونه را به دست آورد. نیروی بین نوک سوزن و نمونه به شدت به فاصله بستگی دارد، بنابراین از یک حلقه بازخورد در طول فرآیند اسکن برای حفظ نیروی ثابت بین نوک سوزن و نمونه استفاده می شود که به عنوان یک متغیر شکل کنسول حفظ می شود. نوک سوزن با نوسان سطح نمونه به سمت بالا و پایین حرکت می کند و می توان مسیر حرکت نوک سوزن را به سمت بالا و پایین ثبت کرد تا اطلاعاتی در مورد مورفولوژی سطح نمونه بدست آید. این حالت کار "حالت نیروی ثابت" نامیده می شود و پرکاربردترین روش اسکن است.
تصاویر AFM را می توان با استفاده از "حالت ارتفاع ثابت" نیز به دست آورد، به این معنی که در طول فرآیند اسکن X، Y، هیچ حلقه بازخوردی برای حفظ فاصله ثابت بین نوک سوزن و نمونه استفاده نمی شود و تصویربرداری با اندازه گیری به دست می آید. متغیر شکل در جهت Z ریزکنتیلهور. این روش از حلقه بازخورد استفاده نمی کند و می تواند سرعت اسکن بالاتری را اتخاذ کند. معمولاً هنگام مشاهده تصاویر اتمی و مولکولی بیشتر استفاده می شود، اما برای نمونه هایی با نوسانات سطحی زیاد مناسب نیست.
