Principe STM et principe de fonctionnement AFM des microscopes
Principe de fonctionnement du STM
STM fonctionne en utilisant l’effet tunnel quantique. Si la pointe de l'aiguille métallique est utilisée comme une électrode et que l'échantillon solide mesuré est utilisé comme une autre électrode, un effet tunnel se produira lorsque la distance entre elles est d'environ 1 nm, et les électrons traverseront la barrière de potentiel spatiale d'une électrode à l'autre. électrode pour former un courant. Et Ub : tension de polarisation ; k : Constante, approximativement égale à 1, Φ 1/2 : Fonction de travail moyenne, S : Distance.
D’après l’équation ci-dessus, on peut voir que le courant tunnel a une relation exponentielle négative avec l’espacement S entre les échantillons de pointe d’aiguille. Très sensible aux changements d'espacement. Par conséquent, lorsque la pointe de l’aiguille effectue un balayage planaire sur la surface de l’échantillon testé, même si la surface ne présente que des fluctuations à l’échelle atomique, cela provoquera des changements très significatifs, voire proches d’un ordre de grandeur, dans le courant tunnel. De cette façon, la fluctuation de l’échelle atomique à la surface peut être reflétée en mesurant les changements de courant, comme indiqué à droite de la figure suivante. Il s’agit du principe de fonctionnement de base du STM, appelé mode hauteur constante (maintien constant de la hauteur de la pointe de l’aiguille).
STM a un autre mode de fonctionnement, appelé mode courant constant, comme indiqué sur le côté gauche de la figure. À ce stade, pendant le processus de balayage de l’aiguille, le courant tunnel est maintenu constant grâce à une boucle de rétroaction électronique. Pour maintenir un courant constant, la pointe de l'aiguille se déplace de haut en bas avec la fluctuation de la surface de l'échantillon, enregistrant ainsi qu'il existe un autre mode de fonctionnement du STM sur la pointe de l'aiguille, appelé mode courant constant, comme indiqué sur le côté gauche de la figure. ci-dessous. À ce stade, pendant le processus de balayage de l’aiguille, le courant tunnel est maintenu constant grâce à une boucle de rétroaction électronique. Pour maintenir un courant constant, la pointe de l'aiguille se déplace de haut en bas avec la fluctuation de la surface de l'échantillon, enregistrant ainsi la trajectoire du mouvement de haut en bas de la pointe de l'aiguille et fournissant la morphologie de la surface de l'échantillon.
Le mode courant constant est un mode de travail couramment utilisé pour le STM, tandis que le mode hauteur constante ne convient que pour l'imagerie d'échantillons présentant de faibles fluctuations de surface. Lorsque la surface de l'échantillon fluctue considérablement, du fait que la pointe de l'aiguille est très proche de la surface de l'échantillon, l'utilisation du mode de balayage à hauteur constante peut facilement provoquer la collision de la pointe de l'aiguille avec la surface de l'échantillon, entraînant des dommages entre la pointe de l'aiguille et l'échantillon. surface.
Le principe de fonctionnement de l’AFM
Le principe de base de l'AFM est similaire à celui du STM, dans lequel une pointe d'aiguille sur un cantilever élastique très sensible aux forces faibles est utilisée pour effectuer un balayage du réseau sur la surface de l'échantillon. Lorsque la distance entre la pointe de l'aiguille et la surface de l'échantillon est très faible, il existe une force très faible (10-12-10-6N) entre les atomes à la pointe de l'aiguille et les atomes à la surface de l'échantillon. échantillon. A ce moment, le microcantilever subira une petite déformation élastique. La force F entre la pointe de l'aiguille et l'échantillon et la déformation du microcantilever suivent la loi de Hooke : F=- k * x, où k est la constante de force du microcantilever. Ainsi, tant que la taille de la variable de déformation micro en porte-à-faux est mesurée, l'ampleur de la force entre la pointe de l'aiguille et l'échantillon peut être obtenue. La force entre la pointe de l'aiguille et l'échantillon dépend fortement de la distance, c'est pourquoi une boucle de rétroaction est utilisée pendant le processus de numérisation pour maintenir une force constante entre la pointe de l'aiguille et l'échantillon, qui est maintenue sous forme de variable de forme en porte-à-faux. La pointe de l'aiguille se déplacera de haut en bas avec la fluctuation de la surface de l'échantillon, et la trajectoire du mouvement de haut en bas de la pointe de l'aiguille peut être enregistrée pour obtenir des informations sur la morphologie de surface de l'échantillon. Ce mode de travail est appelé « Mode Force Constante » et constitue la méthode de numérisation la plus largement utilisée.
Les images AFM peuvent également être obtenues en utilisant le « Mode hauteur constante », ce qui signifie que pendant le processus de numérisation X, Y, aucune boucle de rétroaction n'est utilisée pour maintenir une distance constante entre la pointe de l'aiguille et l'échantillon, et l'imagerie est obtenue en mesurant la forme variable dans la direction Z du microcantilever. Cette méthode n'utilise pas de boucle de rétroaction et peut adopter une vitesse de numérisation plus élevée. Il est généralement utilisé plus fréquemment lors de l’observation d’images atomiques et moléculaires, mais ne convient pas aux échantillons présentant de grandes fluctuations de surface.
