Zasada STM i zasada działania AFM mikroskopów
Zasada działania STM
STM działa poprzez wykorzystanie efektu tunelowania kwantowego. Jeżeli jako jedną elektrodę zastosuje się metalową końcówkę igły, a jako drugą elektrodę mierzoną próbkę stałą, to przy odległości między nimi około 1 nm wystąpi efekt tunelowania, a elektrony będą przechodzić przez przestrzenną barierę potencjału z jednej elektrody na drugą elektrodę, aby wytworzyć prąd. I Ub: napięcie polaryzacji; k: stała, w przybliżeniu równa 1, Φ 1/2: średnia funkcja pracy, S: odległość.
Z powyższego równania widać, że prąd tunelowy ma ujemną wykładniczą zależność od odstępu S pomiędzy próbkami końcówek igły. Bardzo wrażliwy na zmiany odstępów. Dlatego też, gdy końcówka igły przeprowadzi planarny skan powierzchni badanej próbki, nawet jeśli powierzchnia ta wykazuje jedynie fluktuacje w skali atomowej, spowoduje to bardzo znaczące, a nawet bliskie rzędowi wielkości zmiany prądu tunelowego. W ten sposób fluktuacje skali atomowej na powierzchni można odzwierciedlić poprzez pomiar zmian prądu, jak pokazano po prawej stronie poniższego rysunku. Jest to podstawowa zasada działania STM, nazywana trybem stałej wysokości (utrzymywanie stałej wysokości końcówki igły).
STM ma inny tryb pracy, zwany trybem prądu stałego, jak pokazano po lewej stronie rysunku. W tym momencie, podczas procesu skanowania igłą, prąd tunelu jest utrzymywany na stałym poziomie poprzez elektroniczną pętlę sprzężenia zwrotnego. Aby utrzymać stały prąd, końcówka igły porusza się w górę i w dół wraz z wahaniami powierzchni próbki, rejestrując w ten sposób, że istnieje inny tryb pracy STM na końcówce igły, zwany trybem prądu stałego, jak pokazano po lewej stronie rysunku poniżej. W tym momencie, podczas procesu skanowania igłą, prąd tunelu jest utrzymywany na stałym poziomie poprzez elektroniczną pętlę sprzężenia zwrotnego. Aby utrzymać stały prąd, końcówka igły porusza się w górę i w dół wraz z wahaniami powierzchni próbki, rejestrując w ten sposób trajektorię ruchu końcówki igły w górę i w dół oraz zapewniając morfologię powierzchni próbki.
Tryb stałego prądu jest powszechnie stosowanym trybem pracy w STM, natomiast tryb stałej wysokości nadaje się tylko do obrazowania próbek o małych wahaniach powierzchni. Gdy powierzchnia próbki ulega znacznym wahaniom ze względu na to, że końcówka igły znajduje się bardzo blisko powierzchni próbki, użycie trybu skanowania ze stałą wysokością może łatwo spowodować kolizję końcówki igły z powierzchnią próbki, co prowadzi do uszkodzenia pomiędzy końcówką igły a próbką powierzchnia.
Zasada działania AFM
Podstawowa zasada AFM jest podobna do STM, w której końcówka igły na elastycznym wsporniku, bardzo wrażliwym na słabe siły, służy do skanowania siatki na powierzchni próbki. Kiedy odległość między czubkiem igły a powierzchnią próbki jest bardzo mała, między atomami na czubku igły a atomami na powierzchni próbki działa bardzo słaba siła (10-12-10-6N) próbka. W tym czasie mikrowspornik ulegnie niewielkiemu odkształceniu sprężystemu. Siła F pomiędzy końcem igły a próbką oraz odkształcenie mikrowspornika są zgodne z prawem Hooke'a: F=- k * x, gdzie k jest stałą siły mikrowspornika. Tak więc, jeśli mierzy się wielkość zmiennej odkształcenia mikrowspornika, można uzyskać wielkość siły pomiędzy końcówką igły a próbką. Siła między końcówką igły a próbką jest silnie zależna od odległości, dlatego podczas procesu skanowania wykorzystywana jest pętla sprzężenia zwrotnego, aby utrzymać stałą siłę między końcówką igły a próbką, która jest utrzymywana jako zmienna kształtu wspornika. Końcówka igły będzie poruszać się w górę i w dół wraz z wahaniami powierzchni próbki, a trajektorię ruchu końcówki igły w górę i w dół można zarejestrować w celu uzyskania informacji o morfologii powierzchni próbki. Ten tryb pracy nazywany jest „trybem stałej siły” i jest najczęściej stosowaną metodą skanowania.
Obrazy AFM można także uzyskać stosując „tryb stałej wysokości”, co oznacza, że podczas procesu skanowania X, Y nie jest wykorzystywana pętla sprzężenia zwrotnego w celu utrzymania stałej odległości pomiędzy czubkiem igły a próbką, a obrazowanie uzyskuje się poprzez pomiar kształt zmienny w kierunku Z mikrowspornika. Ta metoda nie wykorzystuje pętli sprzężenia zwrotnego i może przyjąć większą prędkość skanowania. Jest zwykle używany częściej podczas obserwacji obrazów atomowych i molekularnych, ale nie nadaje się do próbek o dużych fluktuacjach powierzchni.
