Электростатический силовой микроскоп

Электростатическая силовая микроскопия ( ЭСМ ) — это тип динамической бесконтактной атомно-силовой микроскопии, при которой исследуется электростатическая сила. («Динамический» здесь означает, что и не кантилевер колеблется контактирует с образцом). Эта сила возникает из-за притяжения или отталкивания разделенных зарядов . Это сила дальнего действия, и ее можно обнаружить на расстоянии 100 нм и более от образца.

Измерение силы

Например, рассмотрим проводящий наконечник кантилевера и образец, которые разделены расстоянием z, обычно вакуумом. Напряжение смещения между зондом и образцом подается внешней батареей, образующей конденсатор C между ними. Емкость системы зависит от геометрии зонда и образца. Полная энергия, запасенная в этом конденсаторе, равна U = ⁠ 1 / 2 ⁠ C⋅ΔV ² . Работа, совершаемая батареей по поддержанию постоянного напряжения ΔV между обкладками конденсатора (острием и образцом), равна -2U . По определению, взятие отрицательного градиента полной энергии Uобщ ₌ -U дает силу. - компонент Таким образом, z силы (сила вдоль оси, соединяющей зонд и образец):

$F_{electrostatic}={\frac {1}{2}}{\frac {\partial C}{\partial z}}\Delta V^{2}$.

С ∂C ⁄ ∂z < 0 эта сила всегда притягивает. Электростатическую силу можно измерить, изменяя напряжение, и эта сила параболична по отношению к напряжению. Следует отметить, что ΔV — это не просто разность напряжений между зондом и образцом. Поскольку зонд и образец часто изготовлены из разных материалов и, кроме того, могут быть подвержены захваченным зарядам, мусору и т. д., существует разница между рабочими функциями этих двух материалов. Эта разница, выраженная через напряжение, называется контактной разностью потенциалов, V _CPD. Это приводит к тому, что вершина параболы останавливается на отметке ΔV = V _кончик - V _{образец} - V _CPD = 0 . Обычно значение V _CPD составляет порядка нескольких сотен милливольт . силы размером в пиконьютоны С помощью этого метода обычно можно обнаружить .

Бесконтактная атомно-силовая микроскопия

Распространенная форма электросиловой микроскопии предполагает АСМ бесконтактный режим работы . В этом режиме кантилевер колеблется на резонансной частоте кантилевера, а наконечник АСМ удерживается так, что он воспринимает только электростатические силы дальнего действия, не входя в режим отталкивающего контакта. В этом бесконтактном режиме градиент электрической силы вызывает сдвиг резонансной частоты кантилевера. Изображения EFM могут быть созданы путем измерения колебаний кантилевера, фазового и/или частотного сдвига кантилевера в ответ на градиент электростатической силы.

Погружение

С помощью электростатического силового микроскопа, как и атомно-силового микроскопа, на котором он основан, образец можно погружать только в непроводящую жидкость, поскольку проводящие жидкости препятствуют установлению разности электрических потенциалов, которая вызывает обнаруженную электростатическую силу.

См. также

• Силовая микроскопия с зондом Кельвина - метод сканирующей зондовой микроскопии, очень похожий на EFM, за исключением того, что упор делается на измерение V _CPD .
• Магнитно-силовая микроскопия - родственный и похожий метод, который измеряет градиенты магнитной силы вместо градиентов электростатической силы.

Ссылки

• Л. Канторович, А. Лившиц, М. Стоунхэм, J. Phys.: Condens. Материя 12, 795 (2000) .
• «Электростатический силовой микроскоп для исследования поверхностных зарядов в водных растворах», С. Сюй и М. Ф. Арнсдорф, PNAS 92 (1995) 10384.