Princípio STM e Princípio de Funcionamento AFM de Microscópios
Princípio de funcionamento do STM
STM funciona utilizando o efeito de tunelamento quântico. Se a ponta da agulha de metal for usada como um eletrodo e a amostra sólida medida for usada como outro eletrodo, um efeito de tunelamento ocorrerá quando a distância entre eles for de cerca de 1 nm, e os elétrons passarão através da barreira de potencial espacial de um eletrodo para o outro eletrodo para formar uma corrente. E Ub: tensão de polarização; k: Constante, aproximadamente igual a 1, Φ 1/2: Função trabalho médio, S: Distância.
A partir da equação acima, pode-se observar que a corrente do túnel tem uma relação exponencial negativa com o espaçamento S entre as amostras da ponta da agulha. Muito sensível a mudanças no espaçamento. Portanto, quando a ponta da agulha realiza uma varredura planar na superfície da amostra testada, mesmo que a superfície tenha apenas flutuações em escala atômica, causará alterações muito significativas, ou mesmo próximas de uma ordem de grandeza, na corrente do túnel. Desta forma, a flutuação da escala atômica na superfície pode ser refletida medindo as mudanças na corrente, conforme mostrado no lado direito da figura a seguir. Este é o princípio básico de funcionamento do STM, denominado modo de altura constante (mantendo constante a altura da ponta da agulha).
O STM possui outro modo de operação, denominado modo de corrente constante, conforme mostrado no lado esquerdo da figura. Neste ponto, durante o processo de digitalização da agulha, a corrente do túnel é mantida constante através de um circuito de feedback eletrônico. Para manter uma corrente constante, a ponta da agulha se move para cima e para baixo com a flutuação da superfície da amostra, registrando assim que existe outro modo de trabalho do STM na ponta da agulha, denominado modo de corrente constante, conforme mostrado no lado esquerdo da figura abaixo. Neste ponto, durante o processo de digitalização da agulha, a corrente do túnel é mantida constante através de um circuito de feedback eletrônico. Para manter uma corrente constante, a ponta da agulha se move para cima e para baixo com a flutuação da superfície da amostra, registrando assim a trajetória do movimento para cima e para baixo da ponta da agulha e fornecendo a morfologia da superfície da amostra.
O modo de corrente constante é um modo de trabalho comumente usado para STM, enquanto o modo de altura constante é adequado apenas para imagens de amostras com pequenas flutuações de superfície. Quando a superfície da amostra flutua significativamente, devido à ponta da agulha estar muito próxima da superfície da amostra, o uso da varredura no modo de altura constante pode facilmente fazer com que a ponta da agulha colida com a superfície da amostra, causando danos entre a ponta da agulha e a amostra superfície.
O princípio de funcionamento do AFM
O princípio básico do AFM é semelhante ao STM, no qual uma ponta de agulha em um cantilever elástico que é muito sensível a forças fracas é usada para realizar a varredura de grade na superfície da amostra. Quando a distância entre a ponta da agulha e a superfície da amostra é muito próxima, existe uma força muito fraca (10-12-10-6N) entre os átomos na ponta da agulha e os átomos na superfície da amostra. amostra. Neste momento, o microcantilever sofrerá uma pequena deformação elástica. A força F entre a ponta da agulha e a amostra e a deformação do microcantilever seguem a lei de Hooke: F=- k * x, onde k é a constante de força do microcantilever. Assim, desde que o tamanho da variável de deformação do micro cantilever seja medido, a magnitude da força entre a ponta da agulha e a amostra pode ser obtida. A força entre a ponta da agulha e a amostra depende fortemente da distância, portanto, um circuito de feedback é usado durante o processo de digitalização para manter uma força constante entre a ponta da agulha e a amostra, que é mantida como uma forma variável de cantilever. A ponta da agulha se moverá para cima e para baixo com a flutuação da superfície da amostra, e a trajetória do movimento da ponta da agulha para cima e para baixo pode ser registrada para obter informações sobre a morfologia da superfície da amostra. Este modo de trabalho é denominado 'Modo de Força Constante' e é o método de digitalização mais utilizado.
As imagens AFM também podem ser obtidas usando o "Modo de altura constante", o que significa que durante o processo de digitalização X, Y, nenhum ciclo de feedback é usado para manter uma distância constante entre a ponta da agulha e a amostra, e a imagem é obtida medindo o forma variável na direção Z do microcantilever. Este método não utiliza um ciclo de feedback e pode adotar uma velocidade de varredura mais alta. Geralmente é usado com mais frequência na observação de imagens atômicas e moleculares, mas não é adequado para amostras com grandes flutuações superficiais.
