STM Principle και AFM Working Principle of Microscopes
Αρχή λειτουργίας του STM
Το STM λειτουργεί χρησιμοποιώντας το φαινόμενο της κβαντικής σήραγγας. Εάν το μεταλλικό άκρο της βελόνας χρησιμοποιείται ως ένα ηλεκτρόδιο και το μετρούμενο στερεό δείγμα χρησιμοποιείται ως άλλο ηλεκτρόδιο, θα προκύψει ένα φαινόμενο σήραγγας όταν η απόσταση μεταξύ τους είναι περίπου 1 nm και τα ηλεκτρόνια θα περάσουν μέσα από το φράγμα χωρικού δυναμικού από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο ηλεκτρόδιο για να σχηματίσει ρεύμα. Και Ub: τάση πόλωσης. k: Σταθερά, περίπου ίση με 1, Φ 1/2: Μέση συνάρτηση εργασίας, S: Απόσταση.
Από την παραπάνω εξίσωση, μπορεί να φανεί ότι το ρεύμα της σήραγγας έχει αρνητική εκθετική σχέση με την απόσταση S μεταξύ των δειγμάτων της άκρης της βελόνας. Πολύ ευαίσθητο στις αλλαγές των αποστάσεων. Επομένως, όταν το άκρο της βελόνας εκτελεί μια επίπεδη σάρωση στην επιφάνεια του δοκιμασμένου δείγματος, ακόμα κι αν η επιφάνεια έχει μόνο διακυμάνσεις ατομικής κλίμακας, θα προκαλέσει πολύ σημαντικές, ή ακόμη και κοντά σε μια τάξη μεγέθους, αλλαγές στο ρεύμα της σήραγγας. Με αυτόν τον τρόπο, η διακύμανση της ατομικής κλίμακας στην επιφάνεια μπορεί να αντανακλάται μετρώντας τις αλλαγές στο ρεύμα, όπως φαίνεται στη δεξιά πλευρά του παρακάτω σχήματος. Αυτή είναι η βασική αρχή λειτουργίας του STM, η οποία ονομάζεται λειτουργία σταθερού ύψους (διατηρώντας σταθερό το ύψος του άκρου της βελόνας).
Το STM έχει έναν άλλο τρόπο λειτουργίας, που ονομάζεται λειτουργία σταθερού ρεύματος, όπως φαίνεται στην αριστερή πλευρά του σχήματος. Σε αυτό το σημείο, κατά τη διαδικασία σάρωσης με βελόνα, το ρεύμα της σήραγγας διατηρείται σταθερό μέσω ενός ηλεκτρονικού βρόχου ανάδρασης. Για να διατηρηθεί ένα σταθερό ρεύμα, το άκρο της βελόνας κινείται πάνω-κάτω με τις διακυμάνσεις της επιφάνειας του δείγματος, καταγράφοντας έτσι ότι υπάρχει ένας άλλος τρόπος λειτουργίας του STM στο άκρο της βελόνας, που ονομάζεται λειτουργία σταθερού ρεύματος, όπως φαίνεται στην αριστερή πλευρά του σχήματος παρακάτω. Σε αυτό το σημείο, κατά τη διαδικασία σάρωσης με βελόνα, το ρεύμα της σήραγγας διατηρείται σταθερό μέσω ενός ηλεκτρονικού βρόχου ανάδρασης. Για να διατηρηθεί ένα σταθερό ρεύμα, το άκρο της βελόνας κινείται προς τα πάνω και προς τα κάτω με την διακύμανση της επιφάνειας του δείγματος, καταγράφοντας έτσι την τροχιά της κίνησης του άκρου της βελόνας προς τα πάνω και προς τα κάτω και παρέχοντας τη μορφολογία της επιφάνειας του δείγματος.
Η λειτουργία σταθερού ρεύματος είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη λειτουργία εργασίας για STM, ενώ η λειτουργία σταθερού ύψους είναι κατάλληλη μόνο για δείγματα απεικόνισης με μικρές διακυμάνσεις επιφάνειας. Όταν η επιφάνεια του δείγματος παρουσιάζει σημαντικές διακυμάνσεις, λόγω του ότι το άκρο της βελόνας είναι πολύ κοντά στην επιφάνεια του δείγματος, η χρήση σάρωσης σε λειτουργία σταθερού ύψους μπορεί εύκολα να προκαλέσει σύγκρουση του άκρου της βελόνας με την επιφάνεια του δείγματος, οδηγώντας σε ζημιά μεταξύ του άκρου της βελόνας και του δείγματος επιφάνεια.
Η αρχή λειτουργίας του AFM
Η βασική αρχή του AFM είναι παρόμοια με το STM, στο οποίο χρησιμοποιείται ένα άκρο βελόνας σε ελαστικό πρόβολο που είναι πολύ ευαίσθητο σε ασθενείς δυνάμεις για την εκτέλεση σάρωσης με πλέγμα στην επιφάνεια του δείγματος. Όταν η απόσταση μεταξύ της άκρης της βελόνας και της επιφάνειας του δείγματος είναι πολύ κοντά, υπάρχει μια πολύ ασθενής δύναμη (10-12-10-6N) μεταξύ των ατόμων στην άκρη της βελόνας και των ατόμων στην επιφάνεια της δείγμα. Αυτή τη στιγμή, ο μικροπρόβολος θα υποστεί μικρή ελαστική παραμόρφωση. Η δύναμη F μεταξύ του άκρου της βελόνας και του δείγματος και η παραμόρφωση του μικροπρόβολου ακολουθούν το νόμο του Hooke: F=- k * x, όπου k είναι η σταθερά δύναμης του μικροπρόβολου. Έτσι, εφόσον μετράται το μέγεθος της μεταβλητής παραμόρφωσης μικροπροβολέα, μπορεί να ληφθεί το μέγεθος της δύναμης μεταξύ του άκρου της βελόνας και του δείγματος. Η δύναμη μεταξύ του άκρου της βελόνας και του δείγματος εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την απόσταση, επομένως χρησιμοποιείται ένας βρόχος ανάδρασης κατά τη διαδικασία σάρωσης για να διατηρείται σταθερή δύναμη μεταξύ του άκρου της βελόνας και του δείγματος, η οποία διατηρείται ως μεταβλητή σχήματος προβόλου. Το άκρο της βελόνας θα κινείται πάνω και κάτω με την διακύμανση της επιφάνειας του δείγματος και η τροχιά της κίνησης του ρύγχους της βελόνας προς τα πάνω και προς τα κάτω μπορεί να καταγραφεί για να ληφθούν πληροφορίες σχετικά με τη μορφολογία της επιφάνειας του δείγματος. Αυτός ο τρόπος λειτουργίας ονομάζεται «Λειτουργία σταθερής δύναμης» και είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος σάρωσης.
Οι εικόνες AFM μπορούν επίσης να ληφθούν χρησιμοποιώντας τη "Λειτουργία σταθερού ύψους", που σημαίνει ότι κατά τη διαδικασία σάρωσης X, Y, δεν χρησιμοποιείται βρόχος ανάδρασης για τη διατήρηση σταθερής απόστασης μεταξύ του άκρου της βελόνας και του δείγματος και η απεικόνιση επιτυγχάνεται με τη μέτρηση του μεταβλητή σχήματος στην κατεύθυνση Z του μικροπρόβολου. Αυτή η μέθοδος δεν χρησιμοποιεί βρόχο ανάδρασης και μπορεί να υιοθετήσει υψηλότερη ταχύτητα σάρωσης. Συνήθως χρησιμοποιείται πιο συχνά κατά την παρατήρηση ατομικών και μοριακών εικόνων, αλλά δεν είναι κατάλληλο για δείγματα με μεγάλες διακυμάνσεις στην επιφάνεια.
