STM princip i AFM princip rada mikroskopa
Princip rada STM
STM radi korištenjem efekta kvantnog tuneliranja. Ako se metalni vrh igle koristi kao jedna elektroda, a izmjereni čvrsti uzorak kao druga elektroda, pojavit će se efekt tuneliranja kada je udaljenost između njih oko 1 nm, a elektroni će proći kroz prostornu potencijalnu barijeru od jedne elektrode do druge elektroda za stvaranje struje. I Ub: prednapon; k: Konstanta, približno jednaka 1, Φ 1/2: Prosječna radna funkcija, S: Udaljenost.
Iz gornje jednadžbe može se vidjeti da struja tunela ima negativan eksponencijalni odnos s razmakom S između uzoraka vrha igle. Vrlo osjetljiv na promjene u razmaku. Stoga, kada vrh igle izvodi planarno skeniranje na površini testiranog uzorka, čak i ako površina ima samo fluktuacije atomske skale, to će uzrokovati vrlo značajne, ili čak blizu reda veličine, promjene u tunelskoj struji. Na taj način, fluktuacija atomskog kamenca na površini može se odraziti mjerenjem promjena struje, kao što je prikazano na desnoj strani sljedeće slike. Ovo je osnovni princip rada STM-a, koji se naziva način konstantne visine (održavanje konstantne visine vrha igle).
STM ima još jedan način rada, koji se naziva način konstantne struje, kao što je prikazano na lijevoj strani slike. U ovom trenutku, tijekom procesa skeniranja iglom, struja tunela se održava konstantnom kroz elektroničku povratnu petlju. Kako bi se održala konstantna struja, vrh igle se pomiče gore-dolje s fluktuacijom površine uzorka, čime se bilježi da postoji još jedan način rada STM na vrhu igle, koji se naziva mod konstantne struje, kao što je prikazano na lijevoj strani slike. ispod. U ovom trenutku, tijekom procesa skeniranja iglom, struja tunela se održava konstantnom kroz elektroničku povratnu petlju. Kako bi se održala konstantna struja, vrh igle se pomiče gore-dolje s fluktuacijom površine uzorka, čime se bilježi putanja kretanja vrha igle gore-dolje i daje morfologija površine uzorka.
Način rada konstantne struje često je korišten način rada za STM, dok je način rada konstantne visine prikladan samo za uzorke snimanja s malim površinskim fluktuacijama. Kada površina uzorka značajno fluktuira, zbog toga što je vrh igle vrlo blizu površine uzorka, korištenje skeniranja u načinu konstantne visine može lako uzrokovati sudaranje vrha igle s površinom uzorka, što dovodi do oštećenja između vrha igle i uzorka površinski.
Princip rada AFM
Osnovno načelo AFM-a slično je STM-u, u kojem se vrh igle na elastičnoj konzoli koja je vrlo osjetljiva na slabe sile koristi za izvođenje skeniranja rešetke na površini uzorka. Kada je udaljenost između vrha igle i površine uzorka vrlo blizu, postoji vrlo slaba sila (10-12-10-6N) između atoma na vrhu igle i atoma na površini uzorak. U to će vrijeme mikrokonzola pretrpjeti malu elastičnu deformaciju. Sila F između vrha igle i uzorka i deformacija mikrokonzole slijede Hookeov zakon: F=- k * x, gdje je k konstanta sile mikrokonzole. Dakle, sve dok se mjeri veličina varijable deformacije mikro konzole, može se dobiti veličina sile između vrha igle i uzorka. Sila između vrha igle i uzorka jako ovisi o udaljenosti, pa se tijekom procesa skeniranja koristi povratna petlja za održavanje konstantne sile između vrha igle i uzorka, koja se održava kao varijabla oblika konzole. Vrh igle će se pomicati gore-dolje s fluktuacijom površine uzorka, a putanja kretanja vrha igle gore-dolje može se zabilježiti kako bi se dobile informacije o morfologiji površine uzorka. Ovaj način rada naziva se 'Način konstantne sile' i najčešće je korištena metoda skeniranja.
AFM slike također se mogu dobiti korištenjem "Constant Height Mode", što znači da se tijekom procesa X, Y skeniranja ne koristi povratna petlja za održavanje konstantne udaljenosti između vrha igle i uzorka, a slikanje se postiže mjerenjem oblik varijabilan u Z smjeru mikrokonzole. Ova metoda ne koristi povratnu petlju i može usvojiti veću brzinu skeniranja. Obično se koristi češće pri promatranju atomskih i molekularnih slika, ali nije prikladan za uzorke s velikim površinskim fluktuacijama.
