Principio STM y principio de funcionamiento AFM de los microscopios
Principio de funcionamiento de STM
STM funciona utilizando el efecto túnel cuántico. Si la punta de la aguja de metal se usa como electrodo y la muestra sólida medida se usa como otro electrodo, se producirá un efecto de túnel cuando la distancia entre ellos sea de aproximadamente 1 nm, y los electrones pasarán a través de la barrera de potencial espacial de un electrodo al otro. electrodo para formar una corriente. Y Ub: tensión de polarización; k: Constante, aproximadamente igual a 1, Φ 1/2: Función de trabajo promedio, S: Distancia.
De la ecuación anterior, se puede ver que la corriente del túnel tiene una relación exponencial negativa con el espacio S entre las muestras de punta de aguja. Muy sensible a los cambios de espaciamiento. Por lo tanto, cuando la punta de la aguja realiza un escaneo plano en la superficie de la muestra analizada, incluso si la superficie solo tiene fluctuaciones de escala atómica, provocará cambios muy significativos, o incluso cercanos a un orden de magnitud, en la corriente del túnel. De esta manera, la fluctuación de la escala atómica en la superficie se puede reflejar midiendo los cambios en la corriente, como se muestra en el lado derecho de la siguiente figura. Este es el principio de funcionamiento básico de STM, que se denomina modo de altura constante (manteniendo constante la altura de la punta de la aguja).
STM tiene otro modo de funcionamiento, llamado modo de corriente constante, como se muestra en el lado izquierdo de la figura. En este punto, durante el proceso de escaneo de la aguja, la corriente del túnel se mantiene constante a través de un circuito de retroalimentación electrónica. Para mantener una corriente constante, la punta de la aguja se mueve hacia arriba y hacia abajo con la fluctuación de la superficie de la muestra, registrando así que hay otro modo de trabajo de STM en la punta de la aguja, llamado modo de corriente constante, como se muestra en el lado izquierdo de la figura. abajo. En este punto, durante el proceso de escaneo de la aguja, la corriente del túnel se mantiene constante a través de un circuito de retroalimentación electrónica. Para mantener una corriente constante, la punta de la aguja se mueve hacia arriba y hacia abajo con la fluctuación de la superficie de la muestra, registrando así la trayectoria del movimiento hacia arriba y hacia abajo de la punta de la aguja y proporcionando la morfología de la superficie de la muestra.
El modo de corriente constante es un modo de trabajo comúnmente utilizado para STM, mientras que el modo de altura constante solo es adecuado para obtener imágenes de muestras con pequeñas fluctuaciones de superficie. Cuando la superficie de la muestra fluctúa significativamente, debido a que la punta de la aguja está muy cerca de la superficie de la muestra, el uso del escaneo en modo de altura constante puede causar fácilmente que la punta de la aguja choque con la superficie de la muestra, lo que provoca daños entre la punta de la aguja y la muestra. superficie.
El principio de funcionamiento de AFM
El principio básico de AFM es similar al STM, en el que se utiliza una punta de aguja en un voladizo elástico que es muy sensible a fuerzas débiles para realizar un escaneo de rejilla en la superficie de la muestra. Cuando la distancia entre la punta de la aguja y la superficie de la muestra es muy cercana, hay una fuerza muy débil (10-12-10-6N) entre los átomos en la punta de la aguja y los átomos en la superficie de la muestra. muestra. En este momento, el microvoladizo sufrirá una pequeña deformación elástica. La fuerza F entre la punta de la aguja y la muestra y la deformación del microvoladizo siguen la ley de Hooke: F=- k * x, donde k es la constante de fuerza del microvoladizo. Entonces, siempre que se mida el tamaño de la variable de deformación del micro voladizo, se puede obtener la magnitud de la fuerza entre la punta de la aguja y la muestra. La fuerza entre la punta de la aguja y la muestra depende en gran medida de la distancia, por lo que se utiliza un circuito de retroalimentación durante el proceso de escaneo para mantener una fuerza constante entre la punta de la aguja y la muestra, que se mantiene como una forma voladiza variable. La punta de la aguja se moverá hacia arriba y hacia abajo con la fluctuación de la superficie de la muestra, y la trayectoria del movimiento de la punta de la aguja hacia arriba y hacia abajo se puede registrar para obtener información sobre la morfología de la superficie de la muestra. Este modo de trabajo se denomina "Modo de fuerza constante" y es el método de escaneo más utilizado.
Las imágenes AFM también se pueden obtener usando el "Modo de altura constante", lo que significa que durante el proceso de escaneo X, Y, no se utiliza ningún circuito de retroalimentación para mantener una distancia constante entre la punta de la aguja y la muestra, y las imágenes se logran midiendo la forma variable en la dirección Z del microvoladizo. Este método no utiliza un circuito de retroalimentación y puede adoptar una velocidad de escaneo más alta. Suele utilizarse con más frecuencia para observar imágenes atómicas y moleculares, pero no es adecuado para muestras con grandes fluctuaciones superficiales.
