مجهر القوة الكهروستاتيكية

المجهر الكهروستاتيكي للقوة ( EFM ) هو نوع من أنواع مجهر القوة الذرية الديناميكي غير التلامسي، حيث يتم فيه قياس القوة الكهروستاتيكية. (يعني مصطلح "ديناميكي" هنا أن الذراع الكابولي يتذبذب ولا يلامس العينة). تنشأ هذه القوة نتيجةً لتجاذب أو تنافر الشحنات المنفصلة . وهي قوة بعيدة المدى، ويمكن رصدها على بُعد 100 نانومتر أو أكثر من العينة. 

على سبيل المثال، لنفترض وجود طرف ناتئ موصل وعينة يفصل بينهما مسافة z، عادةً ما تكون مفصولة بفراغ. يتم تطبيق جهد انحياز بين الطرف والعينة بواسطة بطارية خارجية، مما يُشكل مكثفًا ، C ، بينهما. تعتمد سعة النظام على هندسة الطرف والعينة. الطاقة الكلية المخزنة في هذا المكثف هي $${\displaystyle U={\frac {1}{2}}\,C\,\Delta V^{2}.}$$ الشغل المبذول من البطارية للحفاظ على جهد ثابت، ΔV ، بين لوحي المكثف (الطرف والعينة) هو −2U . وبحسب التعريف، فإن أخذ التدرج السالب للطاقة الكلية U _total = −U يعطي القوة. وبالتالي ، فإن المركبة z للقوة (القوة على طول المحور الواصل بين الطرف والعينة) هي: $${\displaystyle F_{\rm {electrostatic}}={\frac {1}{2}}{\frac {\partial C}{\partial z}}\Delta V^{2}.}$$ بما أن ∂C / ∂z < 0 ، فإن هذه القوة جاذبة دائمًا. يمكن قياس القوة الكهروستاتيكية بتغيير الجهد، وتكون هذه القوة مكافئة للجهد. تجدر الإشارة إلى أن ΔV ليس ببساطة فرق الجهد بين رأس المسبار والعينة. نظرًا لأن رأس المسبار والعينة غالبًا ما يكونان من مادتين مختلفتين، فضلًا عن إمكانية تعرضهما لشحنات محصورة أو شوائب، وما إلى ذلك، يوجد فرق بين دالتي الشغل لكل منهما. يُسمى هذا الفرق، عند التعبير عنه بدلالة الجهد، فرق جهد التلامس ، V_{_CPD} . هذا يجعل قمة القطع المكافئ تستقر عند $${\displaystyle \Delta V=V_{\rm {tip}}-V_{\rm {sample}}-V_{\rm {CPD}}=0.}$$ عادةً، تكون قيمة V _CPD في حدود بضع مئات من الميلي فولت . ويمكن الكشف عن قوى صغيرة تصل إلى بيكونيوتن بشكل روتيني باستخدام هذه الطريقة.

تعتمد إحدى الطرق الشائعة في مجهر القوة الكهربائية على نمط تشغيل غير تلامسي . في هذا النمط، يهتز ذراع المجهر بتردد رنينه، ويُثبّت طرف المجهر بحيث لا يستشعر إلا قوى كهروستاتيكية بعيدة المدى دون الدخول في نطاق التلامس التنافري. في هذا النطاق غير التلامسي، يتسبب تدرج القوة الكهربائية في تغيير تردد رنين الذراع. ويمكن إنشاء صور مجهر القوة الكهربائية بقياس اهتزاز الذراع، وانزياح الطور، و/أو التردد استجابةً لتدرج القوة الكهروستاتيكية.

باستخدام مجهر القوة الكهروستاتيكية، مثل مجهر القوة الذرية الذي يعتمد عليه، يمكن غمر العينة في سائل غير موصل فقط، لأن السوائل الموصلة تعيق إنشاء فرق الجهد الكهربائي الذي يسبب القوة الكهروستاتيكية المكتشفة.

• مجهر قوة مسبار كلفن - تقنية مجهر المسح الضوئي المشابهة جدًا لتقنية EFM، باستثناء التركيز على قياس V _CPD .
• المجهر المغناطيسي للقوة - تقنية ذات صلة ومماثلة تقيس تدرجات القوة المغناطيسية بدلاً من تدرجات القوة الكهروستاتيكية.

• L. Kantorovich, A. Livshits, and M. Stoneham, J. Phys.:Condens. Matter 12, 795 (2000) .
• "مجهر القوة الكهروستاتيكية لاستكشاف الشحنات السطحية في المحاليل المائية" بقلم إس. شو وإم إف أرنسدورف، وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم 92 (1995) 10384