Электростатический силовой микроскоп - Electrostatic force microscope

Электростатическая силовая микроскопия (EFM) - это тип динамического бесконтактного атомно-силовая микроскопия где исследуется электростатическая сила. («Динамический» здесь означает, что консоль является колеблющийся и не контактирует с образцом). Эта сила возникает из-за притяжение или отталкивание разделенных обвинения. Это сила дальнего действия и ее можно обнаружить 100нм или больше из образца.

Измерение силы

Например, рассмотрим токопроводящий наконечник кантилевера и образец, которые находятся на расстоянии z обычно с помощью вакуума. Напряжение смещения между зондом и образцом прикладывается внешней батареей, образующей конденсатор, C, между двумя. Емкость системы зависит от геометрии иглы и образца. Полная энергия, хранящаяся в этом конденсаторе, равна U = ½ C⋅ΔV². Работа, выполняемая аккумулятором по поддержанию постоянного напряжения, ΔV, между обкладками конденсатора (зонд и образец) находится -2U. По определению, принимая отрицательный градиент полной энергии U_общий = -U дает силу. В z составляющая силы (сила вдоль оси, соединяющей зонд и образец) равна:

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

С ​^∂C⁄_∂z < 0 эта сила всегда притягательна. Электростатическая сила может быть измерена путем изменения напряжения, и эта сила является параболической по отношению к напряжению. Следует отметить, что ΔV это не просто разница напряжений между зондом и образцом. Поскольку зонд и образец часто из разных материалов и, кроме того, могут подвергаться захваченным зарядам, осколкам и т. Д., Существует разница между рабочие функции из двух. Эта разница, выраженная через напряжение, называется контактной разностью потенциалов, V_CPD Это приводит к тому, что вершина параболы останавливается на ΔV = V_кончик - V_{образец} - V_CPD = 0. Обычно значение V_CPD порядка нескольких сотен милливольт. Силы размером с пиконьютон обычно можно обнаружить с помощью этого метода.

Бесконтактная атомно-силовая микроскопия

Обычная форма микроскопии электрических сил включает в себя бесконтактный АСМ режим работы. В этом режиме кантилевер колеблется на резонансной частоте кантилевера, а наконечник АСМ удерживается таким образом, что он воспринимает только электростатические силы дальнего действия, не переходя в режим отталкивающего контакта. В этом бесконтактном режиме градиент электрической силы вызывает сдвиг резонансной частоты кантилевера. EFM-изображения могут быть созданы путем измерения колебаний кантилевера, сдвига фазы и / или частоты кантилевера в ответ на градиент электростатической силы.

Погружение

С помощью электростатического силового микроскопа, такого как атомно-силовой микроскоп Согласно этому принципу, образец можно погружать только в непроводящую жидкость, поскольку проводящие жидкости препятствуют установлению разности электрических потенциалов, которая вызывает обнаруженную электростатическую силу.

Смотрите также

• Зонд силовая микроскопия Кельвина - метод сканирующей зондовой микроскопии очень похож на метод EFM, за исключением того, что основное внимание уделяется измерению V_CPD.
• Магнитно-силовая микроскопия - родственный и аналогичный метод, который измеряет градиенты магнитной силы вместо градиентов электростатической силы.

Рекомендации

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