Mikroskopların STM Prensibi ve AFM Çalışma Prensibi
STM’nin çalışma prensibi
STM, kuantum tünelleme etkisini kullanarak çalışır. Metal iğne ucu bir elektrot olarak kullanılırsa ve ölçülen katı numune başka bir elektrot olarak kullanılırsa, aralarındaki mesafe yaklaşık 1 nm olduğunda tünel etkisi oluşacak ve elektronlar uzaysal potansiyel bariyerinden bir elektrottan diğerine geçecektir. Bir akım oluşturmak için elektrot. Ve Ub: öngerilim gerilimi; k: Sabit, yaklaşık olarak 1'e eşit, Φ 1/2: Ortalama iş fonksiyonu, S: Mesafe.
Yukarıdaki denklemden, tünel akımının iğne ucu numuneleri arasındaki S aralığı ile negatif bir üstel ilişkiye sahip olduğu görülebilir. Mesafe değişikliklerine karşı çok hassastır. Bu nedenle, iğne ucu test edilen numunenin yüzeyinde düzlemsel bir tarama yaptığında, yüzeyde yalnızca atomik ölçekte dalgalanmalar olsa bile, tünel akımında çok önemli, hatta büyüklük sırasına yakın değişikliklere neden olacaktır. Bu sayede yüzeydeki atomik ölçekteki dalgalanma, aşağıdaki şeklin sağ tarafında gösterildiği gibi akımdaki değişiklikler ölçülerek yansıtılabilir. Sabit yükseklik modu (iğne ucu yüksekliğini sabit tutma) adı verilen STM'nin temel çalışma prensibi budur.
STM'nin şeklin sol tarafında gösterildiği gibi sabit akım modu adı verilen başka bir çalışma modu vardır. Bu noktada iğne tarama işlemi sırasında tünel akımı elektronik bir geri besleme döngüsü aracılığıyla sabit tutulur. Sabit bir akımı korumak için iğne ucu, numune yüzeyinin dalgalanmasıyla yukarı ve aşağı hareket eder, böylece şeklin sol tarafında gösterildiği gibi iğne ucunda STM'nin sabit akım modu adı verilen başka bir çalışma modunun olduğu kaydedilir. altında. Bu noktada iğne tarama işlemi sırasında tünel akımı elektronik bir geri besleme döngüsü aracılığıyla sabit tutulur. Sabit bir akımı sürdürmek için iğne ucu, numune yüzeyinin dalgalanmasıyla birlikte yukarı ve aşağı hareket eder, böylece iğne ucunun yukarı ve aşağı hareketinin yörüngesi kaydedilir ve numune yüzeyinin morfolojisi sağlanır.
Sabit akım modu, STM için yaygın olarak kullanılan bir çalışma modudur; sabit yükseklik modu ise yalnızca küçük yüzey dalgalanmalarına sahip numunelerin görüntülenmesi için uygundur. İğne ucunun numune yüzeyine çok yakın olması nedeniyle numunenin yüzeyi önemli ölçüde dalgalandığında, sabit yükseklik modunda taramanın kullanılması, iğne ucunun numune yüzeyi ile kolayca çarpışmasına neden olarak iğne ucu ile numune arasında hasara yol açabilir. yüzey.
AFM'nin çalışma prensibi
AFM'nin temel prensibi, numunenin yüzeyinde ızgaralı tarama gerçekleştirmek için zayıf kuvvetlere karşı çok hassas olan elastik bir konsol üzerindeki iğne ucunun kullanıldığı STM'ye benzer. İğnenin ucu ile numunenin yüzeyi arasındaki mesafe çok yakın olduğunda, iğnenin ucundaki atomlar ile numunenin yüzeyindeki atomlar arasında çok zayıf bir kuvvet (10-12-10-6N) oluşur. örnek. Bu sırada mikro konsol küçük elastik deformasyona uğrayacaktır. İğne ucu ile numune arasındaki F kuvveti ve mikro konsolun deformasyonu Hooke yasasını takip eder: F=- k * x, burada k, mikro konsolun kuvvet sabitidir. Böylece mikro konsol deformasyon değişkeninin boyutu ölçüldüğü sürece iğne ucu ile numune arasındaki kuvvetin büyüklüğü elde edilebilmektedir. İğne ucu ile numune arasındaki kuvvet büyük ölçüde mesafeye bağlıdır, bu nedenle tarama işlemi sırasında iğne ucu ile numune arasında bir konsol şekli değişkeni olarak korunan sabit bir kuvveti korumak için bir geri besleme döngüsü kullanılır. İğne ucu, numune yüzeyinin dalgalanmasıyla yukarı ve aşağı hareket edecek ve iğne ucunun yukarı ve aşağı hareketinin yörüngesi, numunenin yüzey morfolojisi hakkında bilgi elde etmek için kaydedilebilir. Bu çalışma moduna 'Sabit Kuvvet Modu' adı verilir ve en yaygın kullanılan tarama yöntemidir.
AFM görüntüleri "Sabit Yükseklik Modu" kullanılarak da elde edilebilir; bu, X, Y tarama işlemi sırasında iğne ucu ile numune arasında sabit bir mesafeyi korumak için herhangi bir geri bildirim döngüsünün kullanılmadığı ve görüntülemenin, numunenin ölçülmesiyle elde edildiği anlamına gelir. mikro konsolun Z yönünde şekil değişkeni. Bu yöntem bir geri bildirim döngüsü kullanmaz ve daha yüksek bir tarama hızı benimseyebilir. Genellikle atomik ve moleküler görüntüleri gözlemlerken daha sık kullanılır ancak büyük yüzey dalgalanmalarına sahip numuneler için uygun değildir.
