Principio STM e principio di funzionamento AFM dei microscopi
Principio di funzionamento dell'STM
STM funziona utilizzando l'effetto tunnel quantistico. Se la punta dell'ago di metallo viene utilizzata come un elettrodo e il campione solido misurato viene utilizzato come un altro elettrodo, si verificherà un effetto tunnel quando la distanza tra loro è di circa 1 nm e gli elettroni passeranno attraverso la barriera di potenziale spaziale da un elettrodo all'altro elettrodo per formare una corrente. E Ub: tensione di polarizzazione; k: Costante, approssimativamente uguale a 1, Φ 1/2: Funzione di lavoro media, S: Distanza.
Dall'equazione di cui sopra, si può vedere che la corrente tunnel ha una relazione esponenziale negativa con la spaziatura S tra i campioni della punta dell'ago. Molto sensibile ai cambiamenti di spaziatura. Pertanto, quando la punta dell'ago esegue una scansione planare sulla superficie del campione testato, anche se la superficie presenta solo fluttuazioni su scala atomica, causerà cambiamenti molto significativi, o addirittura vicini a un ordine di grandezza, nella corrente tunnel. In questo modo, la fluttuazione della scala atomica sulla superficie può essere riflessa misurando le variazioni di corrente, come mostrato sul lato destro della figura seguente. Questo è il principio di funzionamento di base di STM, chiamato modalità ad altezza costante (mantenere costante l'altezza della punta dell'ago).
STM ha un'altra modalità operativa, chiamata modalità a corrente costante, come mostrato sul lato sinistro della figura. A questo punto, durante il processo di scansione dell'ago, la corrente tunnel viene mantenuta costante attraverso un circuito di feedback elettronico. Per mantenere una corrente costante, la punta dell'ago si muove su e giù con la fluttuazione della superficie del campione, registrando così che esiste un'altra modalità di funzionamento dell'STM sulla punta dell'ago, chiamata modalità corrente costante, come mostrato sul lato sinistro della figura sotto. A questo punto, durante il processo di scansione dell'ago, la corrente tunnel viene mantenuta costante attraverso un circuito di feedback elettronico. Per mantenere una corrente costante, la punta dell'ago si muove su e giù con la fluttuazione della superficie del campione, registrando così la traiettoria del movimento su e giù della punta dell'ago e fornendo la morfologia della superficie del campione.
La modalità a corrente costante è una modalità di lavoro comunemente utilizzata per STM, mentre la modalità ad altezza costante è adatta solo per l'imaging di campioni con piccole fluttuazioni superficiali. Quando la superficie del campione fluttua in modo significativo, poiché la punta dell'ago è molto vicina alla superficie del campione, l'utilizzo della scansione in modalità ad altezza costante può facilmente causare la collisione della punta dell'ago con la superficie del campione, causando danni tra la punta dell'ago e il campione superficie.
Il principio di funzionamento dell'AFM
Il principio di base dell'AFM è simile all'STM, in cui la punta di un ago su un cantilever elastico molto sensibile alle forze deboli viene utilizzata per eseguire la scansione a reticolo sulla superficie del campione. Quando la distanza tra la punta dell'ago e la superficie del campione è molto ravvicinata, c'è una forza molto debole (10-12-10-6N) tra gli atomi sulla punta dell'ago e gli atomi sulla superficie del campione. campione. In questo momento, il microcantilever subirà una piccola deformazione elastica. La forza F tra la punta dell'ago e il campione e la deformazione del microcantilever seguono la legge di Hooke: F=- k * x, dove k è la costante di forza del microcantilever. Pertanto, purché venga misurata la dimensione della variabile di deformazione del micro cantilever, è possibile ottenere l'entità della forza tra la punta dell'ago e il campione. La forza tra la punta dell'ago e il campione dipende fortemente dalla distanza, quindi durante il processo di scansione viene utilizzato un circuito di feedback per mantenere una forza costante tra la punta dell'ago e il campione, che viene mantenuta come una variabile di forma a sbalzo. La punta dell'ago si muoverà su e giù con la fluttuazione della superficie del campione e la traiettoria del movimento della punta dell'ago su e giù può essere registrata per ottenere informazioni sulla morfologia superficiale del campione. Questa modalità di lavoro è chiamata "Modalità forza costante" ed è il metodo di scansione più utilizzato.
Le immagini AFM possono essere ottenute anche utilizzando la "modalità ad altezza costante", il che significa che durante il processo di scansione X, Y, non viene utilizzato alcun circuito di feedback per mantenere una distanza costante tra la punta dell'ago e il campione e l'imaging viene ottenuto misurando la forma variabile nella direzione Z del microcantilever. Questo metodo non utilizza un ciclo di feedback e può adottare una velocità di scansione più elevata. Di solito viene utilizzato più frequentemente quando si osservano immagini atomiche e molecolari, ma non è adatto per campioni con ampie fluttuazioni superficiali.
