עיקרון STM ועקרון עבודה AFM של מיקרוסקופים
עקרון העבודה של STM
STM פועל על ידי ניצול אפקט המנהור הקוונטי. אם קצה מחט המתכת משמש כאלקטרודה אחת והדגימה המוצקה הנמדדת משמשת כאלקטרודה נוספת, אפקט מנהור יתרחש כאשר המרחק ביניהם הוא כ-1 ננומטר, ואלקטרונים יעברו דרך מחסום הפוטנציאל המרחבי מאלקטרודה אחת לאחרת. אלקטרודה ליצירת זרם. ו-Ub: מתח הטיה; k: קבוע, שווה בערך ל-1, Φ 1/2: פונקציית עבודה ממוצעת, S: מרחק.
מהמשוואה לעיל, ניתן לראות כי לזרם המנהרה יש קשר אקספוננציאלי שלילי עם המרווח S בין דגימות קצה המחט. רגיש מאוד לשינויים במרווחים. לכן, כאשר קצה המחט מבצע סריקה מישורית על פני הדגימה הנבדקת, גם אם על פני השטח יש רק תנודות בקנה מידה אטומי, הדבר יגרום לשינויים משמעותיים מאוד, או אפילו קרוב לסדר גודל, בזרם המנהרה. בדרך זו, ניתן לשקף את התנודתיות בקנה מידה אטומי על פני השטח על ידי מדידת השינויים בזרם, כפי שמוצג בצד ימין של האיור הבא. זהו עקרון העבודה הבסיסי של STM, הנקרא מצב גובה קבוע (שמירה על גובה קצה המחט קבוע).
ל-STM יש מצב פעולה נוסף, הנקרא מצב זרם קבוע, כפי שמוצג בצד שמאל של האיור. בשלב זה, במהלך תהליך סריקת המחט, זרם המנהרה נשמר קבוע דרך לולאת משוב אלקטרונית. כדי לשמור על זרם קבוע, קצה המחט נע מעלה ומטה עם התנודות של משטח הדגימה, ובכך רושם שקיים מצב עבודה נוסף של STM על קצה המחט, הנקרא מצב זרם קבוע, כפי שמוצג בצד שמאל של האיור. לְהַלָן. בשלב זה, במהלך תהליך סריקת המחט, זרם המנהרה נשמר קבוע דרך לולאת משוב אלקטרונית. כדי לשמור על זרם קבוע, קצה המחט נע למעלה ולמטה עם התנודות של משטח הדגימה, ובכך רושם את מסלול התנועה של קצה המחט למעלה ולמטה, ומספק את המורפולוגיה של משטח הדגימה.
מצב הזרם הקבוע הוא מצב עבודה נפוץ עבור STM, בעוד שמצב הגובה הקבוע מתאים רק להדמיה של דגימות עם תנודות שטח קטנות. כאשר פני השטח של הדגימה תנודות משמעותית, בגלל שקצה המחט קרוב מאוד למשטח הדגימה, שימוש בסריקה במצב גובה קבוע יכול בקלות לגרום לקצה המחט להתנגש במשטח הדגימה, מה שיוביל לנזק בין קצה המחט לדגימה משטח.
עקרון העבודה של AFM
העיקרון הבסיסי של AFM דומה ל-STM, בו נעשה שימוש בקצה מחט על שלוחה אלסטית הרגישה מאוד לכוחות חלשים לביצוע סריקת סורגים על פני הדגימה. כאשר המרחק בין קצה המחט למשטח הדגימה קרוב מאוד, יש כוח חלש מאוד (10-12-10-6N) בין האטומים בקצה המחט לבין האטומים על פני השטח של המחט. לִטעוֹם. בשלב זה, המיקרו-קנטיליבר יעבור דפורמציה אלסטית קטנה. הכוח F בין קצה המחט למדגם והדפורמציה של המיקרו-קנטיליבר פועלים לפי חוק הוק: F=- k * x, כאשר k הוא קבוע הכוח של המיקרו-קנטיליבר. לכן, כל עוד גודל משתנה דפורמציה מיקרו שלוחה נמדד, ניתן לקבל את גודל הכוח בין קצה המחט לדגימה. הכוח בין קצה המחט לדגימה תלוי מאוד במרחק, ולכן נעשה שימוש בלולאת משוב במהלך תהליך הסריקה כדי לשמור על כוח קבוע בין קצה המחט לדגימה, אשר נשמר כמשתנה צורת שלוחה. קצה המחט ינוע למעלה ולמטה עם התנודות של משטח הדגימה, וניתן לתעד את מסלול התנועה של קצה המחט למעלה ולמטה כדי לקבל מידע על מורפולוגיה פני השטח של הדגימה. מצב עבודה זה נקרא 'מצב כוח קבוע' והוא שיטת הסריקה הנפוצה ביותר.
ניתן לקבל תמונות AFM גם באמצעות "מצב גובה קבוע", כלומר במהלך תהליך סריקת X, Y, לא נעשה שימוש בלולאת משוב כדי לשמור על מרחק קבוע בין קצה המחט לדגימה, וההדמיה מושגת על ידי מדידת משתנה צורה בכיוון Z של המיקרו-קנטיליבר. שיטה זו אינה משתמשת בלולאת משוב ויכולה לאמץ מהירות סריקה גבוהה יותר. הוא משמש בדרך כלל בתדירות גבוהה יותר בעת התבוננות בתמונות אטומיות ומולקולריות, אך אינו מתאים לדגימות עם תנודות שטח גדולות.
