مبدأ STM ومبدأ عمل AFM للمجاهر
مبدأ عمل STM
يعمل STM من خلال الاستفادة من تأثير نفق الكم. إذا تم استخدام طرف الإبرة المعدنية كقطب كهربائي واحد وتم استخدام العينة الصلبة المقاسة كقطب كهربائي آخر، فسيحدث تأثير النفق عندما تكون المسافة بينهما حوالي 1 نانومتر، وسوف تمر الإلكترونات عبر حاجز الجهد المكاني من قطب كهربائي إلى آخر القطب الكهربائي لتكوين تيار . وUb: الجهد المتحيز؛ k: ثابت، يساوي تقريبًا 1، Φ 1/2: دالة الشغل المتوسطة، S: المسافة.
من المعادلة أعلاه، يمكن ملاحظة أن تيار النفق له علاقة أسية سلبية مع التباعد S بين عينات طرف الإبرة. حساسة للغاية للتغيرات في التباعد. لذلك، عندما يقوم طرف الإبرة بإجراء مسح مستو على سطح العينة التي تم اختبارها، حتى لو كان السطح به تقلبات على المستوى الذري فقط، فسوف يتسبب ذلك في حدوث تغييرات كبيرة جدًا، أو حتى قريبة من حجمها، في تيار النفق. وبهذه الطريقة يمكن عكس تقلب المقياس الذري على السطح عن طريق قياس التغيرات في التيار، كما هو موضح في الجانب الأيمن من الشكل التالي. هذا هو مبدأ العمل الأساسي لـ STM، والذي يسمى وضع الارتفاع الثابت (الحفاظ على ارتفاع ثابت لرأس الإبرة).
لدى STM وضع تشغيل آخر، يسمى وضع التيار الثابت، كما هو موضح على الجانب الأيسر من الشكل. عند هذه النقطة، أثناء عملية مسح الإبرة، يتم الحفاظ على تيار النفق ثابتًا من خلال حلقة تغذية مرتدة إلكترونية. للحفاظ على تيار ثابت، يتحرك طرف الإبرة لأعلى ولأسفل مع تقلب سطح العينة، وبالتالي يتم تسجيل وجود وضع عمل آخر لـ STM على طرف الإبرة، يسمى وضع التيار الثابت، كما هو موضح على الجانب الأيسر من الشكل أقل. عند هذه النقطة، أثناء عملية مسح الإبرة، يتم الحفاظ على تيار النفق ثابتًا من خلال حلقة تغذية مرتدة إلكترونية. للحفاظ على تيار ثابت، يتحرك طرف الإبرة لأعلى ولأسفل مع تقلب سطح العينة، وبالتالي تسجيل مسار حركة رأس الإبرة لأعلى ولأسفل، وتوفير مورفولوجية سطح العينة.
الوضع الحالي الثابت هو وضع عمل شائع الاستخدام لـ STM، في حين أن وضع الارتفاع الثابت مناسب فقط لعينات التصوير ذات التقلبات السطحية الصغيرة. عندما يتقلب سطح العينة بشكل كبير، نظرًا لأن طرف الإبرة قريب جدًا من سطح العينة، فإن استخدام المسح في وضع الارتفاع الثابت يمكن أن يتسبب بسهولة في اصطدام طرف الإبرة بسطح العينة، مما يؤدي إلى تلف بين طرف الإبرة والعينة سطح.
مبدأ عمل AFM
يشبه المبدأ الأساسي لـ AFM مبدأ STM، حيث يتم استخدام طرف إبرة على ناتئ مرن حساس جدًا للقوى الضعيفة لإجراء مسح شبكي على سطح العينة. عندما تكون المسافة بين رأس الإبرة وسطح العينة قريبة جدًا، توجد قوة ضعيفة جدًا (10-12-10-6N) بين الذرات الموجودة عند طرف الإبرة والذرات الموجودة على سطح العينة عينة. في هذا الوقت، سوف يخضع microcantilever لتشوه مرن صغير. تتبع القوة F بين طرف الإبرة والعينة وتشوه الكابولي الدقيق قانون هوك: F=- k * x، حيث k هو ثابت قوة الكابولي الدقيق. لذلك، طالما تم قياس حجم متغير التشوه الكابولي الصغير، يمكن الحصول على حجم القوة بين طرف الإبرة والعينة. القوة بين طرف الإبرة والعينة تعتمد بشدة على المسافة، لذلك يتم استخدام حلقة ردود الفعل أثناء عملية المسح للحفاظ على قوة ثابتة بين طرف الإبرة والعينة، والتي يتم الحفاظ عليها كمتغير شكل ناتئ. سوف يتحرك طرف الإبرة لأعلى ولأسفل مع تقلب سطح العينة، ويمكن تسجيل مسار حركة طرف الإبرة لأعلى ولأسفل للحصول على معلومات حول مورفولوجيا سطح العينة. يُطلق على وضع العمل هذا اسم "وضع القوة الثابتة" وهو أسلوب المسح الأكثر استخدامًا.
يمكن أيضًا الحصول على صور AFM باستخدام "وضع الارتفاع الثابت"، مما يعني أنه أثناء عملية المسح X، Y، لا يتم استخدام أي حلقة تغذية مرتدة للحفاظ على مسافة ثابتة بين طرف الإبرة والعينة، ويتم التصوير عن طريق قياس متغير الشكل في اتجاه Z من microcantilever. لا تستخدم هذه الطريقة حلقة ردود الفعل ويمكن أن تعتمد سرعة مسح أعلى. وعادة ما يتم استخدامه بشكل متكرر أكثر عند مراقبة الصور الذرية والجزيئية، ولكنه غير مناسب للعينات ذات التقلبات السطحية الكبيرة.
