Laserdetektions-Rasterkraftmikroskop
Das Grundprinzip der Rasterkraftmikroskopie besteht darin, ein Ende eines Mikroauslegers zu fixieren, der äußerst empfindlich auf schwache Kräfte reagiert, und das andere Ende mit einer winzigen Nadelspitze zu versehen. Die Nadelspitze berührt leicht die Oberfläche der Probe. Aufgrund der extrem schwachen Abstoßungskraft zwischen den Atomen an der Nadelspitze und den Atomen auf der Probenoberfläche schwankt der Mikrocantilever mit der Nadelspitze und bewegt sich durch Steuerung der Konstante in Richtung senkrecht zur Probenoberfläche Kraft während des Scannens. Durch den Einsatz optischer Detektions- oder Tunnelstromdetektionsverfahren können die Positionsänderungen des Mikrocantilevers entsprechend den Scanpunkten gemessen werden, wodurch Informationen über die Oberflächenmorphologie der Probe gewonnen werden. Als nächstes nehmen wir das Rasterkraftmikroskop (Laser AFM), eine häufig verwendete Familie von Rastersondenmikroskopen, als Beispiel, um sein Funktionsprinzip im Detail zu erläutern.
Der von einer Laserdiode emittierte Laserstrahl wird durch ein optisches System auf der Rückseite des Auslegers fokussiert und von der Rückseite des Auslegers zu einem aus Fotodioden bestehenden Punktpositionsdetektor reflektiert. Während des Probenscannens wird sich der Mikrocantilever aufgrund der Wechselwirkungskraft zwischen den Atomen auf der Probenoberfläche und den Atomen an der Spitze der Mikrocantilever-Sonde verbiegen und mit der Oberflächenmorphologie der Probe schwanken, und auch der reflektierte Strahl verschiebt sich entsprechend. Daher können durch die Erkennung von Änderungen in der Position des Lichtflecks durch eine Fotodiode Informationen über die Oberflächenmorphologie der getesteten Probe gewonnen werden.
Während des gesamten Prozesses der Systemerkennung und Bildgebung wird der Abstand zwischen der Sonde und der getesteten Probe immer auf dem Niveau von Nanometern (10-9 Metern) gehalten. Ist der Abstand zu groß, können keine Informationen über die Oberfläche der Probe gewonnen werden. Wenn der Abstand zu klein ist, werden die Sonde und die getestete Probe beschädigt. Die Funktion der Rückkopplungsschleife besteht darin, die Stärke der Sonden-Proben-Wechselwirkung von der Sonde während des Arbeitsprozesses zu ermitteln, die in der vertikalen Richtung des Probenscanners angelegte Spannung zu ändern, um die Probe auszudehnen und zusammenzuziehen und den Abstand anzupassen zwischen der Sonde und der getesteten Probe und steuert wiederum die Stärke der Sonden-Proben-Wechselwirkung, wodurch eine Rückkopplungskontrolle erreicht wird. Daher ist die Rückkopplungssteuerung der zentrale Arbeitsmechanismus dieses Systems.
Dieses System verwendet einen digitalen Rückkopplungsregelkreis. Benutzer können die Eigenschaften der Rückkopplungsschleife steuern, indem sie in der Parametersymbolleiste der Steuerungssoftware verschiedene Parameter wie Referenzstrom, Integralverstärkung und Proportionalverstärkung einstellen.
Die Rasterkraftmikroskopie ist ein Analyseinstrument zur Untersuchung der Oberflächenstruktur fester Materialien, einschließlich Isolatoren. Es wird hauptsächlich zur Messung der Oberflächenmorphologie, des Oberflächenpotentials, der Reibungskraft, der Viskoelastizität und der I/V-Kurve von Materialien verwendet und ist ein leistungsstarkes neues Instrument zur Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften von Materialien. Darüber hinaus verfügt dieses Instrument auch über Funktionen wie Nanomanipulation und elektrochemische Messung.
