STM-princippet og AFM-arbejdsprincippet for mikroskoper
Arbejdsprincip for STM
STM virker ved at udnytte kvantetunneleffekten. Hvis metalnålespidsen bruges som én elektrode, og den målte faste prøve bruges som en anden elektrode, vil der opstå en tunneleffekt, når afstanden mellem dem er omkring 1 nm, og elektroner vil passere gennem den rumlige potentialbarriere fra den ene elektrode til den anden elektrode for at danne en strøm. Og Ub: bias spænding; k: Konstant, omtrent lig med 1, Φ 1/2: Gennemsnitlig arbejdsfunktion, S: Afstand.
Fra ovenstående ligning kan det ses, at tunnelstrømmen har et negativt eksponentielt forhold til afstanden S mellem nålespidsprøverne. Meget følsom over for ændringer i afstanden. Derfor, når nålespidsen udfører en plan scanning på overfladen af den testede prøve, selvom overfladen kun har atomare skalaudsving, vil det forårsage meget betydelige, eller endda tæt på en størrelsesorden, ændringer i tunnelstrømmen. På denne måde kan fluktuationen af atomskalaen på overfladen afspejles ved at måle ændringerne i strøm, som vist på højre side af den følgende figur. Dette er det grundlæggende arbejdsprincip for STM, som kaldes konstanthøjdetilstand (holde nålespidshøjden konstant).
STM har en anden driftstilstand, kaldet konstantstrømstilstand, som vist i venstre side af figuren. På dette tidspunkt, under nålescanningsprocessen, holdes tunnelstrømmen konstant gennem en elektronisk tilbagekoblingssløjfe. For at opretholde en konstant strøm bevæger nålespidsen sig op og ned med fluktuationen af prøveoverfladen og registrerer således, at der er en anden arbejdstilstand for STM på nålespidsen, kaldet konstant strømtilstand, som vist i venstre side af figuren under. På dette tidspunkt, under nålescanningsprocessen, holdes tunnelstrømmen konstant gennem en elektronisk tilbagekoblingssløjfe. For at opretholde en konstant strøm bevæger nålespidsen sig op og ned i takt med prøveoverfladens fluktuation, og registrerer derved banen for nålespidsens op- og nedadgående bevægelse og giver morfologien af prøveoverfladen.
Den konstante strømtilstand er en almindeligt anvendt arbejdstilstand for STM, mens den konstante højdetilstand kun er egnet til billeddannelse af prøver med små overfladeudsving. Når overfladen af prøven svinger betydeligt, på grund af at nålespidsen er meget tæt på prøveoverfladen, kan brug af konstanthøjde-scanning nemt få nålespidsen til at kollidere med prøveoverfladen, hvilket fører til beskadigelse mellem nålespidsen og prøven overflade.
Arbejdsprincippet i AFM
Grundprincippet for AFM svarer til STM, hvor en nålespids på en elastisk cantilever, der er meget følsom over for svage kræfter, bruges til at udføre gitterscanning på overfladen af prøven. Når afstanden mellem spidsen af nålen og overfladen af prøven er meget tæt, er der en meget svag kraft (10-12-10-6N) mellem atomerne ved spidsen af nålen og atomerne på overfladen af prøve. På dette tidspunkt vil mikrocantileveren gennemgå en lille elastisk deformation. Kraften F mellem nålespidsen og prøven og deformationen af mikrocantileveren følger Hookes lov: F=- k * x, hvor k er kraftkonstanten for mikrocantileveren. Så så længe størrelsen af mikrocantilever-deformationsvariablen måles, kan størrelsen af kraften mellem nålespidsen og prøven opnås. Kraften mellem nålespidsen og prøven er stærkt afhængig af afstanden, så en tilbagekoblingsløkke bruges under scanningsprocessen for at opretholde en konstant kraft mellem nålespidsen og prøven, som bibeholdes som en udkraget formvariabel. Nålespidsen vil bevæge sig op og ned med fluktuationen af prøveoverfladen, og banen for nålespidsens bevægelse op og ned kan registreres for at få information om prøvens overflademorfologi. Denne arbejdstilstand kaldes 'Constant Force Mode' og er den mest udbredte scanningsmetode.
AFM-billeder kan også opnås ved hjælp af "Constant Height Mode", hvilket betyder, at der under X, Y-scanningsprocessen ikke bruges nogen feedback-loop til at opretholde en konstant afstand mellem nålespidsen og prøven, og billeddannelse opnås ved at måle formvariabel i mikrocantileverens Z-retning. Denne metode bruger ikke en feedback-loop og kan anvende en højere scanningshastighed. Det bruges normalt hyppigere ved observation af atomare og molekylære billeder, men er ikke egnet til prøver med store overfladeudsving.
