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掃描式探針顯微鏡Ch9 (STM掃描穿隧顯微鏡 (STM結構 (避震裝置 (探針-樣品 -> 0.001Å之內穩定度, 高分子橡膠、金屬彈簧,…
掃描式探針顯微鏡Ch9
STM掃描穿隧顯微鏡
量測樣品須為導體
穿隧電流
靠近試片
穿隧電流大
遠離試片
穿隧電流小
樣品表面產生
原子解析度影像
材料表面電子雲分布
STM結構
回饋電子迴路
定位與掃描元件
樣品定位
機械螺絲定位法
探針定位
條狀壓電元件
管狀壓電元件(較好)
敏感度較高
移動範圍較高
雙像壓電元件
避震裝置
探針-樣品 -> 0.001Å之內穩定度
高分子橡膠、金屬彈簧
極為剛性
探針
探針材質
較硬導體->鎢絲
針尖製造
電化學蝕刻法
以石墨為陰極,浸泡強鹼中
離子束研磨法
去除氧化層
縮減針尖半徑
數據自動化讀取電腦系統
操作方法
等高度取像
迴路控制Z軸->關閉
等高度掃描
穿隧電流表面分布
差電流取像
掃描方向來回震動
高於回饋電路
低於系統自然頻率
鎖頻偵測法
較高 訊號/雜訊比
較佳影像對比
等電流取像
透過回饋電路->偵測穿隧電流大小
控制 d(探針-樣品)
穿隧電流保持恆定
得到電流表貌結構
電子結構相關
XY壓電平台移動,回饋電路控制Z方向
探針來回掃描偵測
接觸式掃描顯微鏡
獲得資料
原子尺寸表貌結構
交互力譜
操作方式
等力掃描
作用力保持一定
探針用光束偏折法
非等力掃描
探針偏移允許變動
較高掃描速度
差力掃描
高於回饋電路頻率
低於系統自然頻率
鎖頻偵測法
較高的訊號/雜訊比
較佳的影像對比
FFM摩擦力顯微鏡
摩擦力造成探針偏移
偵測掃描方向偏移量
垂直力為回饋信號
作用力譜學
力場與間距之關係
短程力
非接觸式顯微鏡
凡德瓦爾力顯微鏡
靜電顯微鏡
磁力顯微鏡
透過探針偏移
得到等力場梯度面之資料
AFM原子力顯微鏡
XY壓電平台移動,回饋電路控制Z方向
探針來回掃描偵測
探針-樣品 之間作用力
探針
黏於懸臂式彈簧片上
探針-樣品表面 力場的作用力
懸臂簧片微小偏曲
電容感應法
光學偵測法
簧片後方探針偵測
偏移訊號->電流
作用力
凡德瓦爾力
可得表貌結構
接觸力
提高自然頻率
剛性高材料
質量大幅減小
探針系統
彈性係數低
測量輕小之力
自然共振頻率高
降低對機械震動敏感度
較高速之掃描
針尖要細小
尖端開角要銳利
操作方式
非接觸式
保持一定距離
雙極震動器
Z方向震動
震動頻率
選定探針機械共振頻率邊緣
較大回饋信號
接觸式
接觸樣品表面
敲觸式
介於接觸與非接觸式之間
振幅較接觸式小
力場感測裝置
高敏感度 -> 1Å以下
探針-樣品間 交互作用無影響
超高真空或低溫
感測方式
電容法
電容變壓橋偵測微小電容變化
傾向較小電容間距
吸引力強->電及拍合
穿隧電流法
穿隧電流-電極間->指數反比關係
量測與控制越過懸臂簧片及簧片後方STM探針之穿隧電流
鍍金膜
光干涉法
光纖切口-懸臂探針反射面 -> 來回干涉
測量中間距變化
光束偏折法
力場->懸臂偏移
雷射光束反射偏折
其他掃描式顯微鏡
近場光學顯微鏡
遠場
行進波
近場
暫存波