Prinsip STM dan Prinsip Kerja Mikroskop AFM
Prinsip kerja STM
STM bekerja dengan memanfaatkan efek terowongan kuantum. Jika ujung jarum logam digunakan sebagai satu elektroda dan sampel padat yang diukur digunakan sebagai elektroda lain, efek terowongan akan terjadi ketika jarak antara keduanya sekitar 1nm, dan elektron akan melewati penghalang potensial spasial dari satu elektroda ke elektroda lainnya. elektroda membentuk arus. Dan Ub: tegangan bias; k : Konstanta, kira-kira sama dengan 1, Φ 1/2 : Fungsi kerja rata-rata, S : Jarak.
Dari persamaan di atas terlihat bahwa arus terowongan mempunyai hubungan eksponensial negatif dengan jarak S antar sampel ujung jarum. Sangat sensitif terhadap perubahan jarak. Oleh karena itu, ketika ujung jarum melakukan pemindaian planar pada permukaan sampel yang diuji, meskipun permukaan tersebut hanya memiliki fluktuasi skala atom, hal ini akan menyebabkan perubahan arus terowongan yang sangat signifikan, atau bahkan mendekati urutan besarnya. Dengan cara ini, fluktuasi skala atom di permukaan dapat direfleksikan dengan mengukur perubahan arus, seperti yang ditunjukkan di sebelah kanan gambar berikut. Inilah prinsip kerja dasar STM yang disebut mode ketinggian konstan (menjaga ketinggian ujung jarum tetap konstan).
STM mempunyai mode operasi lain, yang disebut mode arus konstan, seperti yang ditunjukkan di sisi kiri gambar. Pada titik ini, selama proses pemindaian jarum, arus terowongan dipertahankan konstan melalui loop umpan balik elektronik. Untuk menjaga arus tetap, ujung jarum bergerak ke atas dan ke bawah mengikuti fluktuasi permukaan sampel, sehingga mencatat bahwa ada mode kerja STM lain di ujung jarum, yang disebut mode arus konstan, seperti yang ditunjukkan di sisi kiri gambar. di bawah. Pada titik ini, selama proses pemindaian jarum, arus terowongan dipertahankan konstan melalui loop umpan balik elektronik. Untuk menjaga arus konstan, ujung jarum bergerak ke atas dan ke bawah seiring dengan fluktuasi permukaan sampel, sehingga mencatat lintasan pergerakan naik dan turun ujung jarum, dan memberikan morfologi permukaan sampel.
Mode arus konstan adalah mode kerja yang umum digunakan untuk STM, sedangkan mode ketinggian konstan hanya cocok untuk sampel pencitraan dengan fluktuasi permukaan kecil. Ketika permukaan sampel berfluktuasi secara signifikan, karena ujung jarum sangat dekat dengan permukaan sampel, penggunaan mode ketinggian konstan dapat dengan mudah menyebabkan ujung jarum bertabrakan dengan permukaan sampel, sehingga menyebabkan kerusakan antara ujung jarum dan sampel. permukaan.
Prinsip kerja AFM
Prinsip dasar AFM mirip dengan STM, dimana ujung jarum pada kantilever elastis yang sangat sensitif terhadap gaya lemah digunakan untuk melakukan pemindaian kisi pada permukaan sampel. Ketika jarak antara ujung jarum dan permukaan sampel sangat dekat, maka terdapat gaya yang sangat lemah (10-12-10-6N) antara atom di ujung jarum dan atom di permukaan sampel. Sampel. Pada saat ini mikrokantilever akan mengalami deformasi elastis kecil. Gaya F antara ujung jarum dan sampel serta deformasi mikrokantilever mengikuti hukum Hooke: F=- k * x, dengan k adalah konstanta gaya mikrokantilever. Jadi, selama besar kecilnya variabel deformasi kantilever mikro diukur maka dapat diperoleh besarnya gaya antara ujung jarum dengan sampel. Gaya antara ujung jarum dan sampel sangat bergantung pada jarak, sehingga putaran umpan balik digunakan selama proses pemindaian untuk mempertahankan gaya konstan antara ujung jarum dan sampel, yang dipertahankan sebagai variabel bentuk kantilever. Ujung jarum akan bergerak ke atas dan ke bawah seiring dengan fluktuasi permukaan sampel, dan lintasan pergerakan ujung jarum ke atas dan ke bawah dapat dicatat untuk memperoleh informasi morfologi permukaan sampel. Mode kerja ini disebut 'Mode Kekuatan Konstan' dan merupakan metode pemindaian yang paling banyak digunakan.
Gambar AFM juga dapat diperoleh dengan menggunakan "Mode Ketinggian Konstan", yang berarti bahwa selama proses pemindaian X, Y, tidak ada putaran umpan balik yang digunakan untuk menjaga jarak konstan antara ujung jarum dan sampel, dan pencitraan dicapai dengan mengukur variabel bentuk dalam arah Z mikrokantilever. Metode ini tidak menggunakan putaran umpan balik dan dapat mengadopsi kecepatan pemindaian yang lebih tinggi. Biasanya lebih sering digunakan saat mengamati gambar atom dan molekul, tetapi tidak cocok untuk sampel dengan fluktuasi permukaan yang besar.
