Ett schema som illustrerar mikroskopets bildsystem
Okularets funktion är likvärdig med ett förstoringsglas, men bilden av förstoringsglaset är på samma sida som föremålet. Efter att objektivlinsen i mikroskopet förstorar objektet, bör den resulterande bilden vara i mikroskopröret. Om principen för okularet är densamma som för förstoringsglaset, är inte dess bild vänd. Det mänskliga ögat zoomar i motsatt riktning (samma sida av objektet), så hur vet du hur man ser dubbel- förstorad bild? Mikroskopets avbildningsprincip visas i figuren. Objektivets brännvidd är kort och okularets brännvidd är lång. Objektet bildar en inverterad verklig bild A"B genom objektivlinsen", bilden är placerad i okularets brännpunkt (inuti linshylsan), och det kan också betraktas som objektet för okularet, vilket blir en upprätt virtuell bild efter att ha passerat genom okularet; det är fortfarande samma som förstoringsglaset och objektbilden är på samma sida).
Hur STM fungerar
STM fungerar genom att utnyttja kvanttunneleffekten. Om metallnålsspetsen används som en elektrod och det fasta provet som ska mätas används som den andra elektroden, när avståndet mellan dem är så litet som cirka 1 nm, kommer en tunneleffekt att uppstå och elektroner kommer att passera genom utrymmet barriär från en elektrod till den andra elektroden för att bilda en ström. . Och där Ub: förspänning; k: konstant, ungefär lika med 1, Φ1/2: genomsnittlig arbetsfunktion, S: avstånd.
Det kan ses från ovanstående formel att tunnelströmmen har ett negativt exponentiellt samband med spets-sampelavståndet S. Mycket känslig för förändringar i avstånd. Därför, när nålspetsen skannar ytan på provet som ska testas, även om ytan endast har fluktuationer i atomskala, kommer det att orsaka mycket betydande förändringar i tunnelströmmen, till och med nära storleksordningen. Detta gör att fluktuationer i atomskala i ytan kan reflekteras genom att mäta förändringar i elektrisk ström, som visas till höger i bilden nedan. Detta är den grundläggande arbetsprincipen för STM, och detta driftsätt kallas konstant höjdläge (håll spetshöjden konstant).
STM har också ett annat arbetsläge, kallat konstantströmsläge, som visas på vänster sida av figuren nedan. Vid denna tidpunkt, under spetsavsökningsprocessen, hålls tunnelströmmen konstant genom den elektroniska återkopplingsslingan. För att upprätthålla en konstant ström rör sig nålspetsen upp och ned med provytans upp- och nedgångar, för att registrera banan för nålspetsens upp- och nedåtgående rörelse, och sedan kan provytans topografi given.
Konstant strömläge är ett vanligt använt arbetsläge för STM, medan konstant höjdläge endast är lämpligt för avbildning av prover med små ytfluktuationer. När provytan fluktuerar mycket, eftersom nålspetsen är mycket nära provytan, kan skanning i konstant höjdläge lätt få nålspetsen att kollidera med provytan, vilket resulterar i skada på nålspetsen och provytan.
Hur AFM fungerar
Grundprincipen för AFM liknar den för STM. I AFM används en nålspets på en elastisk cantilever som är mycket känslig för svaga krafter för att skanna provytan på ett rastersätt. När avståndet mellan nålspetsen och provytan är mycket nära, finns det en mycket svag kraft (10-12~10-6N) mellan atomerna vid spetsen av nålspetsen och atomerna på provets yta. Vid denna tidpunkt kommer mikro-cantilevern att genomgå en liten elastisk deformation. Kraften F mellan spetsen och provet och deformationen av konsolen följer Hookes lag: F=-k*x, där k är kraftkonstanten för konsolen. Därför, så länge deformationen av mikro-cantilevern mäts, kan kraften mellan spetsen och provet erhållas. Kraften mellan nålspetsen och provet har ett starkt beroende av avståndet, så återkopplingsslingan används för att hålla kraften mellan nålspetsen och provet konstant under skanningsprocessen, det vill säga att konsolens deformation hålls konstant, och nålspetsen följer provet. Ytans upp- och nedgångar rör sig upp och ner, och banan för nålspetsens upp- och nerrörelse kan registreras för att få information om provets yttopografi. Detta arbetsläge kallas "Constant Force Mode" och är den mest använda skanningsmetoden.
AFM-bilder kan också erhållas med hjälp av "Constant Height Mode", det vill säga under X, Y-skanning, utan att använda en återkopplingsslinga, håll avståndet mellan nålspetsen och provet konstant, genom att mäta Z-riktningen för mikrokantilen. mängd deformation till bilden. Denna metod använder inte en återkopplingsslinga och kan anta en högre skanningshastighet. Det används vanligtvis mer när man observerar atomer och molekyler, men det är inte lämpligt för prover med relativt stora ytfluktuationer.
