Mikroskop sił elektrostatycznych

Mikroskopia sił elektrostatycznych ( EFM ) to rodzaj dynamicznej bezkontaktowej mikroskopii sił atomowych , w której badana jest siła elektrostatyczna. („Dynamiczny” oznacza tutaj, że wspornik oscyluje i nie styka się z próbką). Siła ta powstaje w wyniku przyciągania lub odpychania rozdzielonych ładunków . Jest to siła o dużym zasięgu i może być wykryta w odległości 100 nm lub więcej od próbki.

Pomiar siły

Rozważmy na przykład przewodzącą końcówkę wspornika i próbkę, które są oddalone o odległość z, zwykle za pomocą próżni. Napięcie polaryzacji między końcówką a próbką jest przykładane przez zewnętrzną baterię tworzącą kondensator C między nimi. Pojemność układu zależy od geometrii końcówki i próbki. Całkowita energia zmagazynowana w tym kondensatorze wynosi U = ½ C⋅ΔV ² . Praca wykonana przez akumulator w celu utrzymania stałego napięcia ΔV między okładkami kondensatora (końcówką i próbką) wynosi -2U . Z definicji przyjęcie ujemnego gradientu całkowitej energii U _total = -U daje siłę. Składowa z siły (siła wzdłuż osi łączącej końcówkę i próbkę) wynosi zatem:

${\ Displaystyle F_ {elektrostatyczny} = {\ Frac {1} {2}} {\ Frac {\ częściowe$ .

Ponieważ ∂C ⁄ ∂z < 0 siła ta jest zawsze atrakcyjna. Siłę elektrostatyczną można zbadać, zmieniając napięcie, a siła ta jest paraboliczna w stosunku do napięcia. Należy zwrócić uwagę, że ΔV to nie tylko różnica napięcia między końcówką a próbką. Ponieważ końcówka i próbka często nie są wykonane z tego samego materiału, a ponadto mogą być narażone na uwięzione ładunki, zanieczyszczenia itp., istnieje różnica między funkcjami roboczymi tych dwóch elementów. Ta różnica, wyrażona w postaci napięcia, nazywana jest różnicą potencjałów kontaktowych, V _CPD . Powoduje to, że wierzchołek paraboli spoczywa w punkcie ΔV = V _wierzchołek − V _próbka − V _CPD = 0 . Zazwyczaj wartość V _CPD jest rzędu kilkuset miliwoltów . Za pomocą tej metody można rutynowo wykrywać siły tak małe, jak pikonewtony .

Bezkontaktowa mikroskopia sił atomowych

Powszechna forma mikroskopii sił elektrycznych obejmuje bezkontaktowy tryb działania AFM . W tym trybie wspornik oscyluje z częstotliwością rezonansową wspornika, a końcówka AFM jest utrzymywana w taki sposób, że wyczuwa tylko siły elektrostatyczne dalekiego zasięgu bez wchodzenia w reżim kontaktu odpychającego. W tym reżimie bezkontaktowym gradient siły elektrycznej powoduje przesunięcie częstotliwości rezonansowej wspornika. Obrazy EFM można tworzyć, mierząc oscylację wspornika, przesunięcie fazowe i/lub częstotliwości wspornika w odpowiedzi na gradient siły elektrostatycznej.

Zanurzenie

W przypadku mikroskopu sił elektrostatycznych, takiego jak mikroskop sił atomowych , na którym jest oparty, próbkę można zanurzyć tylko w nieprzewodzącej cieczy, ponieważ ciecze przewodzące utrudniają ustanowienie różnicy potencjałów elektrycznych, która powoduje wykrytą siłę elektrostatyczną.

Zobacz też

• Mikroskopia siłowa z sondą Kelvina - technika mikroskopii z sondą skanującą bardzo podobna do EFM, z wyjątkiem tego, że kładzie nacisk na pomiar V _CPD .
• Mikroskopia sił magnetycznych - pokrewna i podobna technika, która mierzy gradienty siły magnetycznej zamiast gradientów siły elektrostatycznej.

• L. Kantorovich, A. Livshits i M. Stoneham, J. Phys.: Condens. Sprawa 12, 795 (2000) .
• „Mikroskop sił elektrostatycznych do badania ładunków powierzchniowych w roztworach wodnych” S. Xu i MF Arnsdorf, PNAS 92 (1995) 10384