Mikroskopy ze skanującą sondą

(Scanning Probe Microscopy SPM)

Mikroskopy SPM są grupą instrumentów służącą do badania powierzchni

(właściwości powierzchniowych) materiału.

Badania te mogą być prowadzone w skali od ułamka nanometra, aż do

poziomu mikrometrów.

Mikroskopy ze skanującą sondą

•Skaningowy mikroskop tunelowy (STM)

•Mikroskop sił atomowych (AFM)

•Mikroskop z modulacją siły (Force Modulation Microscopy FMM)

•Mikroskop z detekcją fazy (Phase Detection Microscopy PDM)

•Mikroskop sił magnetycznych (Magnetic Force Microscopy MFM)

Ogólny schemat skaningowego mikroskopu z ruchomą sondą

1981 IBM Zurich Gerd Binnig i Heinrich Rohrer (1986 Nagroda Nobla)

STM (skaningowa mikroskopia tunelowa)

•Sonda w tego typu urządzeniu jest ostra i przewodząca

•Badany materiał musi być przewodnikiem lub półprzewodnikiem

•Miedzy sondą a próbką przyłożona jest różnica potencjałów

•Zbliżenie sondy do próbki powoduje (1 nm) powoduje przeskakiwanie

elektronów z próbki do sondy i ze sondy do próbki z wykorzystaniem efektu

tunelowego poprzez szczelinę pomiędzy próbką a sondą

•Elektrony przeskakują z próbki do sondy lub sondy do próbki w zależności od

znaku różnicy potencjału

STM (skaningowa mikroskopia tunelowa)

Tryby pracy:

Stała wysokość (odległość sondy

od próbki) pomiar polega na

odnotowaniu zmian natężenia

prądu wywołanych różnymi

odległościami pomiędzy sondą a

próbką

„tryb bezkontaktowy”

Stały prąd tunelowania: pomiar polega

na zastosowaniu sprzężenia zwrotnego

zapewniającego stałe natężenie prądu,

wymaga zatem zmian odległości

pomiędzy próbką a sondą

„tryb kontaktowy”

szybki pomiar ale mała precyzja

duża precyzja ale i czasochłonny

STM (skaningowa mikroskopia tunelowa)

•obraz topograficzny próbki

ale i …

•obraz gęstości stanów elektronowych na powierzchni próbki, a więc

obsadzone i nie obsadzone stany elektronowe.

Tak więc metoda ta umożliwia badanie (w trybie stałej wysokości) lokalnego

prądu tunelowego dla lokalnej struktury elektronowej. Może służyć do

detekcji charakterystycznych atomów lub cząsteczek (modyfikacja:

skaningowa tunelowa spektroskopia STS)

MFM ( mikroskopia sił magnetycznych)

•urządzenie bada różnice sił magnetycznych działających na sondę w różnych

punktach powierzchni badanego materiału

•sonda skanująca pokryta jest cienką warstwą ferromagnetyka

•pracuje w trybie bezkontaktowym i wykrywa zmiany częstotliwości rezonansowej

dźwigienki (drgania wymuszone)

•przyczyną takiego zachowania jest występowanie zmian pola magnetycznego w

zależności od dystansu próbka - sonda

MFM ( mikroskopia sił magnetycznych)

•umożliwia badanie topografii materiału

•daje informację o właściwościach magnetycznych badanej powierzchni

w przypadku małych odległości pomiędzy sondą a próbką następuje badanie sił typu van der Waalsa i w ten sposób otrzymuje się informację o topografii

zwiększenie dystansu pomiędzy próbką a sondą powoduje, że urządzenie bada efekty magnetyczne

FMM (mikroskopia modulacji sił)

• pozwala na charakterystykę właściwości mechanicznych badanej próbki przy

równoczesnym określeniu jej topografii

obszar miękki

obszar twardy

•urządzenie dokonuje pomiaru sił z wykorzystaniem zmian w amplitudzie

modulacji dźwigienki (aż do uderzenia sondą w próbkę) tworząc obraz

właściwości sprężystych badanego materiału.

•częstotliwość przyłożonego sygnału jest rzędu kilkuset Hz