顕微鏡のSTM原理とAFM動作原理
STMの動作原理
STM は量子トンネル効果を利用して機能します。 金属針の先端を一方の電極として、測定した固体試料をもう一方の電極として使用すると、それらの間の距離が約1nmになるとトンネル効果が発生し、電子は一方の電極からもう一方の電極まで空間ポテンシャル障壁を通過します。電流を形成するための電極。 Ub: バイアス電圧。 k: 一定、ほぼ 1、Φ 1/2: 平均仕事関数、S: 距離。
上式から、トンネル電流は針先サンプル間の間隔 S と負の指数関数的な関係があることがわかります。 間隔の変化に非常に敏感です。 したがって、針の先端が試験サンプルの表面上で平面走査を実行すると、表面に原子スケールの変動しかない場合でも、トンネル電流に非常に重大な、さらには一桁近くの変化が引き起こされます。 このようにして、次の図の右側に示すように、電流の変化を測定することで表面の原子スケールの変動を反映できます。 これが STM の基本的な動作原理であり、定高モード (針先の高さを一定に保つ) と呼ばれます。
STM には、図の左側に示すように、定電流モードと呼ばれる別の動作モードがあります。 この時点で、ニードルスキャンプロセス中、トンネル電流は電子フィードバックループを通じて一定に維持されます。 定電流を維持するために、針先はサンプル表面の変動に合わせて上下に動きます。これにより、図の左側に示すように、針先に定電流モードと呼ばれる STM の別の動作モードがあることが記録されます。下に。 この時点で、ニードルスキャンプロセス中、トンネル電流は電子フィードバックループを通じて一定に維持されます。 一定の電流を維持するために、試料表面の変動に合わせて針先が上下に動き、針先の上下運動の軌跡を記録し、試料表面の形状を把握します。
定電流モードは STM で一般的に使用される作業モードですが、定高モードは表面変動が小さいサンプルのイメージングにのみ適しています。 針先が試料表面に非常に近いため、試料表面の変動が大きい場合、定高モードでスキャンすると針先が試料表面に衝突しやすく、針先と試料の間が損傷する可能性があります。表面。
AFMの動作原理
AFM の基本原理は STM と似ており、弱い力に非常に敏感な弾性カンチレバー上の針先を使用して、サンプルの表面上で格子走査を実行します。 針の先端と試料の表面との距離が非常に近い場合、針の先端の原子と試料の表面の原子の間には非常に弱い力（10-12-10-6N）がかかります。サンプル。 このとき、マイクロカンチレバーは微小な弾性変形を起こす。 針先とサンプルの間の力 F とマイクロカンチレバーの変形は、フックの法則 F=- k * x に従います。ここで、k はマイクロカンチレバーの力定数です。 したがって、マイクロカンチレバーの変形変数の大きさを測定できれば、針先と試料の間にかかる力の大きさを知ることができます。 針先とサンプル間の力は距離に大きく依存するため、スキャンプロセス中にフィードバックループを使用して、針先とサンプル間の力を一定に維持します。この力はカンチレバーの形状変数として維持されます。 試料表面の変動に合わせて針先が上下に移動し、針先の上下移動の軌跡を記録することで試料の表面形態に関する情報を得ることができます。 この動作モードは「定力モード」と呼ばれ、最も広く使用されているスキャン方法です。
AFM 画像は、「高さ一定モード」を使用して取得することもできます。つまり、X、Y スキャン プロセス中に、針先とサンプルの間の距離を一定に維持するためにフィードバック ループは使用されず、イメージングは、針先とサンプルの間の距離を測定することによって行われます。マイクロカンチレバーのZ方向の形状可変。 この方法ではフィードバック ループを使用しないため、より高速なスキャン速度を採用できます。 通常、原子や分子の画像を観察する場合によく使用されますが、表面の変動が大きい試料には適していません。
