Schemat ilustrujący system obrazu mikroskopu
Funkcja okularu jest równoważna funkcji szkła powiększającego, ale obraz szkła powiększającego znajduje się po tej samej stronie co przedmiot. Po tym jak soczewka obiektywu w mikroskopie powiększy obiekt, wynikowy obraz powinien znajdować się w tubusie mikroskopu. Jeśli zasada działania okularu jest taka sama jak szkła powiększającego, to czy jego obraz nie jest skierowany Oko ludzkie przybliża się w przeciwnym kierunku (po tej samej stronie przedmiotu), więc skąd wiesz, jak widzieć podwójne powiększony obraz? Zasada obrazowania mikroskopu jest pokazana na rysunku. Ogniskowa obiektywu jest krótka, a ogniskowa okularu jest długa. Obiekt tworzy odwrócony obraz rzeczywisty A"B przez soczewkę obiektywu", obraz znajduje się w ognisku okularu (wewnątrz tubusu obiektywu), można go również traktować jako przedmiot okularu, który staje się pionowy obraz pozorny po przejściu przez okular; jest nadal taki sam jak szkło powiększające, a obraz obiektu znajduje się po tej samej stronie).
Jak działają STM
STM działa poprzez wykorzystanie efektu tunelowania kwantowego. Jeśli metalowa końcówka igły jest używana jako jedna elektroda, a mierzona próbka stała jako druga elektroda, gdy odległość między nimi wynosi zaledwie około 1 nm, pojawi się efekt tunelowy i elektrony przejdą przez przestrzeń barierę od jednej elektrody do drugiej elektrody, aby wytworzyć prąd. . A gdzie Ub: napięcie polaryzacji; k: stała, w przybliżeniu równa 1, Φ1/2: średnia funkcja pracy, S: odległość.
Z powyższego wzoru widać, że prąd tunelowania ma ujemny wykładniczy związek z odległością końcówka-próbka S. Bardzo wrażliwy na zmiany odstępów. Dlatego też, gdy końcówka igły skanuje powierzchnię badanej próbki, nawet jeśli powierzchnia wykazuje jedynie fluktuacje w skali atomowej, spowoduje to bardzo znaczne zmiany prądu tunelowego, nawet bliskie rzędu wielkości. Pozwala to na odzwierciedlenie fluktuacji powierzchni w skali atomowej poprzez pomiar zmian prądu elektrycznego, jak pokazano po prawej stronie na poniższym obrazku. Jest to podstawowa zasada działania STM, a ten tryb działania nazywa się trybem stałej wysokości (utrzymuj stałą wysokość końcówki).
STM ma również inny tryb pracy, zwany trybem stałego prądu, jak pokazano po lewej stronie poniższego rysunku. W tym czasie, podczas procesu skanowania końcówki, prąd w tunelu jest utrzymywany na stałym poziomie przez elektroniczną pętlę sprzężenia zwrotnego. Aby utrzymać stały prąd, końcówka igły porusza się w górę iw dół wraz ze wzlotami i opadami powierzchni próbki, aby zarejestrować trajektorię ruchu końcówki igły w górę iw dół, a następnie topografię powierzchni próbki można dany.
Tryb stałego prądu jest powszechnie używanym trybem pracy STM, podczas gdy tryb stałej wysokości jest odpowiedni tylko do obrazowania próbek o niewielkich fluktuacjach powierzchni. Gdy powierzchnia próbki podlega dużym wahaniom, ponieważ końcówka igły znajduje się bardzo blisko powierzchni próbki, skanowanie w trybie stałej wysokości może łatwo spowodować zderzenie końcówki igły z powierzchnią próbki, powodując uszkodzenie końcówki igły i powierzchni próbki.
Jak działają AFM
Podstawowa zasada AFM jest podobna do zasady STM. W AFM końcówka igły na elastycznym wsporniku, która jest bardzo wrażliwa na słabe siły, jest używana do skanowania powierzchni próbki w sposób rastrowy. Kiedy odległość między końcówką igły a powierzchnią próbki jest bardzo mała, istnieje bardzo mała siła (10-12~10-6N) między atomami na końcówce igły a atomami na powierzchnia próbki. W tym czasie mikro-wspornik ulegnie niewielkiemu odkształceniu sprężystemu. Siła F między końcówką a próbką oraz odkształcenie wspornika są zgodne z prawem Hooke'a: F=-k*x, gdzie k jest stałą siły wspornika. Dlatego tak długo, jak mierzy się odkształcenie mikrowspornika, można uzyskać siłę między końcówką a próbką. Siła między końcówką igły a próbką ma silną zależność od odległości, więc pętla sprzężenia zwrotnego służy do utrzymania stałej siły między końcówką igły a próbką podczas procesu skanowania, to znaczy, że odkształcenie wspornika jest utrzymywane stała, a końcówka igły będzie podążać za próbką. Wzloty i upadki powierzchni poruszają się w górę iw dół, a trajektoria ruchu końcówki igły w górę iw dół może być rejestrowana w celu uzyskania informacji o topografii powierzchni próbki. Ten tryb pracy nosi nazwę „Tryb stałej siły” i jest najczęściej stosowaną metodą skanowania.
Obrazy AFM można również uzyskać za pomocą „Constant Height Mode”, czyli podczas skanowania X, Y, bez użycia pętli sprzężenia zwrotnego, utrzymując stałą odległość między końcówką igły a próbką, mierząc kierunek Z mikrobelki. wielkość deformacji obrazu. Ta metoda nie wykorzystuje pętli sprzężenia zwrotnego i może przyjąć wyższą prędkość skanowania. Zwykle jest używany częściej podczas obserwacji atomów i cząsteczek, ale nie nadaje się do próbek o stosunkowo dużych fluktuacjach powierzchni.
