Uç ve Yüzey Kuvvetleri
Uç ve Yüzey Kuvvetleri
Birçok işlem uç ve yüzeye yük getirebilir. Yarma yoluyla yüzey hazırlığının, yalıtkan yüzeyler üzerinde çok büyük yüklere neden olduğu bilinmektedir, ancak bunlar tavlama ile azaltılabilir.
Ucun yüzey boyunca hareketi sırasında uç ile yüzey arasındaki iyon değişimi (triboşarj) gibi yüzey püskürtme de şarja neden olabilir. Mikroskobik ölçekte, bu yük kusurları, yüzeye yakın beklenmedik etkileşimler olarak görünebilir.
Makroskopik ölçekte, uç ve yüzey şarjı etkileşimlere hakim olabilir. Bazı yalıtkan oksitlerin, örneğin MgO’nun kararlı SFM görüntülemesini zorlaştıran çok büyük çekici kuvvetlerin, bölünmeden sonra önemli yüzey yüklemesinden kaynaklandığı varsayılır.
Şarj, yük yoğunluğunun iyon konumları çevresinde lokalize olduğu ve eklenen yükün iletilemediği yalıtım malzemeleriyle sınırlıdır. Bu, metal yüzeylerin görüntülenmesi veya saf iletken olan uçlar için uygun olmadığı anlamına gelir.
Tüm yüklü kusurların atomik yer değiştirme olmaksızın telafi edildiği nötr bir yüzey için yük-yük etkileşimi, üstel olarak vakuma dönüşür ve yalnızca küçük uç-yüzey ayrımlarında uç-yüzey kuvvetine bir katkı sağlar. Bununla birlikte, yüzeydeki yüklü kusurlar genellikle atomların ideal kafes bölgelerinden hareket etmesine neden olarak yüzeyde dipoller oluşturur.
Yük-dipol ve dipol-dipol etkileşimleri, yük-yük etkileşimlerinden çok daha uzun menzile sahiptir ve uç-yüzey etkileşimlerine çok uzun menzilli elektrostatik katkılar sağlayabilirler. İletken malzemelere sahip sistemler için herhangi bir şarjın görüntü kuvvetini de değiştireceği unutulmamalıdır. Ucun şarj edilmesi, iletkenlerde üretilen görüntü yüklerinin büyüklüğünü ve dolayısıyla görüntü kuvvetini büyük ölçüde artıracaktır.
Manyetik Kuvvetler
Manyetik kuvvetler yalnızca hem uç hem de numune manyetik davranış gösterdiğinde, örneğin her ikisi de ferromanyet olduğunda gerçekten önemlidir. Bir ferromanyetik uç ve numune için manyetik kuvvet katkısı, önce teorik veya deneysel olarak ucun manyetik momenti tahmin edilerek ve ardından uygulanarak hesaplanabilir.
m manyetik moment ve B manyetik akı yoğunluğudur. Ferromanyetik uç ve paramanyetik/diyamanyetik numune içeren bir düzenek için kuvvet, numunede indüklenen moment ile ucun ıraksayan alanının etkileşiminden kaynaklanacaktır.
Hidrostatik kuvvet
Hidrostatik kuvvet Nedir
Hidrostatik kuvvet formülü
Sıvı basınç kuvveti
Akışkan statiği formülü
Basınç kuvveti ağırlık mıdır
Basınç kuvveti Neye bağlıdır
Katı basınç kuvveti nedir
Kılcal Kuvvetler
Havadaki SPM deneyleri, atmosferik nemin uç-yüzey etkileşiminde oynadığı rolü de dikkate almalıdır; UHV koşullarında bu kuvvet bileşeninin bulunmadığını anlamak önemlidir. Uçta ve/veya yüzeyde sıvı su katmanlarının varlığı, etkileşimlerinde bazı süreksiz davranışlar sergileyebilir.
Diğer etkileşimleri değiştirmenin yanı sıra, kısa mesafede sıvı katmanları “temas ederek” aralarında büyük menisküs yarıçaplı bir köprü oluşturur. Bu katman daha sonra uç ve yüzey arasında “sert temas” olana kadar sıkışacaktır. Ucun daha fazla hareket ettirilmesi, örn. çıkarılması, menisküsü orijinal katman kalınlığı tarafından belirlenen kırılma noktası ile kırılana kadar gerecektir.
Sıvı katmanın kalınlığı ihmal edilebilir düzeydeyse veya sistemde yoğunlaşabilen bir buhar varsa, bu durumda etkiler daha ince olacaktır. Örneğin vakum veya nitrojende “kuru” bir uç yüzey sistemi için, yapışma kuvveti çoğunlukla dağılma kuvvetlerinden ve Fad = 4πRγs’den kaynaklanacaktır; burada γs, katıların yüzey enerjisidir.
Bir miktar buhar verilirse, yüzey enerjisi adsorpsiyon ile değiştirilecek ve bazı bağıl buhar basıncında kılcal yoğuşma meydana gelecektir. Uç ve yüzey arasındaki kuvvet daha sonra (s, l, v katı, sıvı, buharı belirtir) ile verilir.
Burada γlv, kondensattaki sıvının yüzey gerilimi, θ sıvı temas açısı ve γsl katı-sıvı arayüzey gerilimidir. İlk terim, sıvı köprüsündeki kılcal basınçtan kaynaklanır ve ikinci terim, köprü boyunca katı-katı etkileşimi ile ilişkilidir.
Genel olarak, uç-yüzey yapışma kuvveti, buharda vakumdan daha azdır, ancak daha önce tartışıldığı gibi, etkileşimlerdeki süreksiz davranış aynı zamanda kılcal kuvvetlerin varlığının bir özelliğidir. Kılcal kuvvetlerin daha gelişmiş tedavileri düşünülmüştür.
Mikroskobik Kuvvetler
Kimyasal kuvvetler, SPM’deki toplam kuvvete nadiren hakim olur, yine de deneysel görüntüleri anlamak için en önemli etkileşimler olmaya devam ederler. Ucun ve yüzeyin atomik yapısını tanımlarlar ve uç yüzeye yakın olduğunda atomik yer değiştirmelerden sorumludurlar.
Uç ve yüzey arasında ve arasında oluşan kimyasal bağların doğası, özünde kimyasal kuvvetlerle bağlantılıdır. SFM’de atomik kimlikleri ayırt ederler ve bu nedenle görüntülerdeki atomik çözünürlükten sorumludurlar. STM’de, uç ile yüzey arasında kimyasal bir bağ oluşursa, enerji seviyesi, tünelleşmeyi önleyen elektrotların iletkenlik bandından daha düşük olabilir.
Deneylerin bu etkileşimler üzerindeki duyarlılığı nedeniyle, bunlar her zaman açık bir şekilde hesaplanır ve bir süreklilik modeliyle faydalı bir şekilde yaklaşılamayan tek kuvvettir. Bununla birlikte, kimyasal kuvvetleri hesaplamak için gereken karmaşıklık düzeyi, SPM sistemindeki özelliklere ve malzemelere bağlıdır.
Mikroskobik kuvvetlerin gerçek fiziksel bileşenleri temel olarak sistemdeki çekirdekler ve elektronlar arasındaki etkileşimlerdir ve prensip olarak belirli bir atomik geometri için elektronik çok cisim dalga fonksiyonunun tam bir çözümünü gerektirir.
Bununla birlikte, farklı etkileşim sınıflarını hakim oldukları sistemlere göre ayırmak genellikle yararlıdır:
• Elektrostatik kuvvetler: Uçtaki ve numunedeki iyonlar arasındaki Coulomb etkileşimi. İyonik bir yüzey ve iyonik bir uç için iyonlar arasındaki elektrostatik kuvvet genellikle mikroskobik kuvvetlere hakim olacaktır.
• Polarizasyon kuvvetleri: elektron bulutunun iyonlarla polarizasyonu. Bu, özellikle yüksek oranda polarize olabilen iletken malzemeler yalıtkan malzemelerle etkileşime girdiğinde geçerlidir.
• Van der Waals kuvvetleri: önceki bölümde tartışılan kuvvetin mikroskobik versiyonu, genellikle bu ölçekteki diğer kuvvetlerden çok daha zayıf, ancak Xenon gibi inert yüzeylerin görüntülenmesinde veya inert türlerin fiziksel soğurulmasını dikkate almada önemlidir.
• Kimyasal bağ: sistem malzemelerinin ideal olarak iyonik veya inert olarak iyi tahmin edilemediği durumlarda, uç ile yüzey arasında oluşabilecek kimyasal bağların hesaba katılması önem kazanır. Bu, sarkan bağları doyurma ihtiyacının güçlü uç-yüzey bağları ve buna bağlı olarak büyük mikroskobik kuvvetlerle sonuçlandığı reaktif uçlar ve yüzeylerin etkileşimlerini dikkate alırken özellikle önemlidir.
• Manyetik kuvvetler: mikroskobik ölçekte, manyetik kuvvetler uçtaki ve yüzeydeki atomik dönüşler arasındaki değişim kuvvetini temsil eder. Manyetik bir yüzeyi tarayan spin polarize uç için değişim kuvveti, ucun altındaki atomun spin durumuna göre değişecektir.
Akışkan statiği formülü Basınç kuvveti ağırlık mıdır Basınç kuvveti Neye bağlıdır Hidrostatik kuvvet Hidrostatik kuvvet formülü Sıvı basınç kuvveti Hidrostatik kuvvet Nedir Katı basınç kuvveti nedir