현미경의 STM 원리와 AFM 작동 원리
STM의 작동 원리
STM은 양자 터널링 효과를 활용하여 작동합니다. 금속 바늘 끝을 하나의 전극으로 사용하고 측정된 고체 시료를 다른 전극으로 사용하면 그 사이의 거리가 약 1nm일 때 터널링 효과가 발생하고 전자가 한 전극에서 다른 전극으로 공간 전위 장벽을 통과하게 됩니다. 전류를 형성하는 전극. Ub: 바이어스 전압; k: 상수, 대략 1과 동일, Φ 1/2: 평균 일함수, S: 거리.
위의 방정식으로부터 터널 전류는 바늘 끝 샘플 사이의 간격 S와 음의 지수 관계를 가지고 있음을 알 수 있습니다. 간격 변화에 매우 민감합니다. 따라서 바늘 끝이 테스트된 샘플의 표면에서 평면 스캔을 수행하면 표면에 원자 규모 변동만 있는 경우에도 터널 전류에 매우 큰 또는 한 자릿수에 가까운 변화가 발생합니다. 이와 같이 전류의 변화를 측정함으로써 표면의 원자 규모의 변동을 반영할 수 있는데, 다음 그림의 오른쪽과 같습니다. 이것이 STM의 기본 작동 원리로, 고정 높이 모드(바늘 끝 높이를 일정하게 유지)라고 합니다.
STM에는 그림의 왼쪽에 표시된 것처럼 정전류 모드라는 또 다른 작동 모드가 있습니다. 이 시점에서 니들 스캐닝 과정에서 터널 전류는 전자 피드백 루프를 통해 일정하게 유지됩니다. 일정한 전류를 유지하기 위해 바늘 끝은 시료 표면의 변동에 따라 위아래로 움직이며 그림 왼쪽에 표시된 것처럼 바늘 끝에는 정전류 모드라고 불리는 또 다른 STM 작동 모드가 있음을 기록합니다. 아래에. 이 시점에서 니들 스캐닝 과정에서 터널 전류는 전자 피드백 루프를 통해 일정하게 유지됩니다. 일정한 전류를 유지하기 위해 바늘 끝은 시료 표면의 변동에 따라 상하로 이동하여 바늘 끝의 상하 이동 궤적을 기록하고 시료 표면의 형태를 제공합니다.
정전류 모드는 STM에 일반적으로 사용되는 작업 모드인 반면, 정높이 모드는 표면 변동이 작은 샘플을 이미징하는 데에만 적합합니다. 바늘 끝이 시료 표면에 매우 가깝기 때문에 시료 표면이 크게 변동하는 경우 일정한 높이 모드 스캐닝을 사용하면 바늘 끝이 시료 표면과 쉽게 충돌하여 바늘 끝과 시료 사이가 손상될 수 있습니다. 표면.
AFM의 작동 원리
AFM의 기본 원리는 약한 힘에 매우 민감한 탄성 캔틸레버의 바늘 끝을 사용하여 샘플 표면에서 격자 스캐닝을 수행하는 STM과 유사합니다. 바늘 끝과 시료 표면 사이의 거리가 매우 가까우면 바늘 끝의 원자와 시료 표면의 원자 사이에 매우 약한 힘(10-12-10-6N)이 존재합니다. 견본. 이때 마이크로캔틸레버는 작은 탄성 변형을 겪게 됩니다. 바늘 끝과 시료 사이의 힘 F와 마이크로 캔틸레버의 변형은 Hooke의 법칙: F=- k * x를 따릅니다. 여기서 k는 마이크로 캔틸레버의 힘 상수입니다. 따라서 마이크로 캔틸레버 변형변수의 크기만 측정하면 바늘 끝과 시료 사이에 작용하는 힘의 크기를 알 수 있다. 바늘 끝과 시료 사이의 힘은 거리에 크게 의존하므로 스캐닝 과정에서 피드백 루프를 사용하여 바늘 끝과 시료 사이에 일정한 힘을 유지하며 이는 캔틸레버 모양 변수로 유지됩니다. 바늘 끝은 시료 표면의 변동에 따라 위아래로 움직이며, 바늘 끝의 위아래 움직임 궤적을 기록하여 시료의 표면 형태에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 이 작업 모드를 'Constant Force 모드'라고 하며 가장 널리 사용되는 스캐닝 방법입니다.
AFM 이미지는 "일정한 높이 모드"를 사용하여 얻을 수도 있습니다. 즉, X, Y 스캐닝 프로세스 중에 바늘 끝과 샘플 사이의 일정한 거리를 유지하기 위해 피드백 루프가 사용되지 않으며 이미징은 측정을 통해 달성됩니다. 마이크로캔틸레버의 Z 방향의 모양은 가변적입니다. 이 방법은 피드백 루프를 사용하지 않으며 더 높은 스캔 속도를 채택할 수 있습니다. 일반적으로 원자 및 분자 이미지를 관찰할 때 더 자주 사용되지만 표면 변동이 큰 샘플에는 적합하지 않습니다.
