STM-Prinzip und AFM-Funktionsprinzip von Mikroskopen
Funktionsprinzip von STM
STM nutzt den Quantentunneleffekt. Wenn die Metallnadelspitze als eine Elektrode und die gemessene feste Probe als weitere Elektrode verwendet wird, tritt ein Tunneleffekt auf, wenn der Abstand zwischen ihnen etwa 1 nm beträgt, und Elektronen passieren die räumliche Potentialbarriere von einer Elektrode zur anderen Elektrode, um einen Strom zu erzeugen. Und Ub: Vorspannung; k: Konstante, ungefähr gleich 1, Φ 1/2: Durchschnittliche Austrittsarbeit, S: Abstand.
Aus der obigen Gleichung ist ersichtlich, dass der Tunnelstrom eine negative exponentielle Beziehung zum Abstand S zwischen den Nadelspitzenproben hat. Sehr empfindlich gegenüber Abstandsänderungen. Wenn die Nadelspitze daher einen planaren Scan auf der Oberfläche der getesteten Probe durchführt, führt dies, selbst wenn die Oberfläche nur Schwankungen auf atomarer Ebene aufweist, zu sehr erheblichen oder sogar nahezu größenordnungsmäßigen Änderungen des Tunnelstroms. Auf diese Weise kann die Schwankung der atomaren Skala auf der Oberfläche durch die Messung der Stromänderungen widergespiegelt werden, wie auf der rechten Seite der folgenden Abbildung dargestellt. Dies ist das grundlegende Arbeitsprinzip von STM, das als Konstanthöhenmodus bezeichnet wird (Konstanthaltung der Nadelspitzenhöhe).
STM verfügt über einen weiteren Betriebsmodus, den sogenannten Konstantstrommodus, wie auf der linken Seite der Abbildung dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Tunnelstrom während des Nadelscanvorgangs durch eine elektronische Rückkopplungsschleife konstant gehalten. Um einen konstanten Strom aufrechtzuerhalten, bewegt sich die Nadelspitze mit der Schwankung der Probenoberfläche auf und ab, wodurch aufgezeichnet wird, dass es an der Nadelspitze einen anderen Arbeitsmodus des STM gibt, den sogenannten Konstantstrommodus, wie auf der linken Seite der Abbildung dargestellt unten. Zu diesem Zeitpunkt wird der Tunnelstrom während des Nadelscanvorgangs durch eine elektronische Rückkopplungsschleife konstant gehalten. Um einen konstanten Strom aufrechtzuerhalten, bewegt sich die Nadelspitze mit den Schwankungen der Probenoberfläche auf und ab, wodurch die Flugbahn der Auf- und Abbewegung der Nadelspitze aufgezeichnet und die Morphologie der Probenoberfläche bereitgestellt wird.
Der Konstantstrommodus ist ein häufig verwendeter Arbeitsmodus für STM, während der Konstanthöhenmodus nur für die Abbildung von Proben mit geringen Oberflächenschwankungen geeignet ist. Wenn die Oberfläche der Probe stark schwankt, da sich die Nadelspitze sehr nahe an der Probenoberfläche befindet, kann es beim Scannen im Konstanthöhenmodus leicht dazu kommen, dass die Nadelspitze mit der Probenoberfläche kollidiert, was zu einer Beschädigung zwischen Nadelspitze und Probe führt Oberfläche.
Das Funktionsprinzip von AFM
Das Grundprinzip von AFM ähnelt dem von STM, bei dem eine Nadelspitze auf einem elastischen Ausleger, der sehr empfindlich auf schwache Kräfte reagiert, verwendet wird, um ein Gitterscannen auf der Oberfläche der Probe durchzuführen. Wenn der Abstand zwischen der Nadelspitze und der Oberfläche der Probe sehr gering ist, besteht eine sehr schwache Kraft (10-12-10-6N) zwischen den Atomen an der Nadelspitze und den Atomen auf der Oberfläche der Probe Probe. Zu diesem Zeitpunkt erfährt der Mikroausleger eine kleine elastische Verformung. Die Kraft F zwischen der Nadelspitze und der Probe und die Verformung des Mikrocantilevers folgen dem Hookeschen Gesetz: F=- k * x, wobei k die Kraftkonstante des Mikrocantilevers ist. Solange also die Größe der Verformungsvariablen des Mikroauslegers gemessen wird, kann die Größe der Kraft zwischen der Nadelspitze und der Probe ermittelt werden. Die Kraft zwischen der Nadelspitze und der Probe hängt stark vom Abstand ab. Daher wird während des Scanvorgangs eine Rückkopplungsschleife verwendet, um eine konstante Kraft zwischen der Nadelspitze und der Probe aufrechtzuerhalten, die als Variable der Form des Auslegers beibehalten wird. Die Nadelspitze bewegt sich mit der Schwankung der Probenoberfläche auf und ab, und die Flugbahn der Auf- und Abbewegung der Nadelspitze kann aufgezeichnet werden, um Informationen über die Oberflächenmorphologie der Probe zu erhalten. Dieser Arbeitsmodus wird „Constant Force Mode“ genannt und ist die am weitesten verbreitete Scanmethode.
AFM-Bilder können auch im „Constant Height Mode“ erstellt werden, was bedeutet, dass während des X-, Y-Scanvorgangs keine Rückkopplungsschleife verwendet wird, um einen konstanten Abstand zwischen der Nadelspitze und der Probe aufrechtzuerhalten, und die Bildgebung durch Messung der erreicht wird Formvariable in Z-Richtung des Mikrocantilevers. Diese Methode verwendet keine Rückkopplungsschleife und kann eine höhere Scangeschwindigkeit ermöglichen. Es wird normalerweise häufiger bei der Beobachtung atomarer und molekularer Bilder verwendet, ist jedoch nicht für Proben mit großen Oberflächenschwankungen geeignet.
