Een schematische weergave van het beeldsysteem van de microscoop
De functie van het oculair is gelijk aan die van een vergrootglas, maar het beeld van het vergrootglas bevindt zich aan dezelfde kant als het object. Nadat de objectieflens in de microscoop het object heeft vergroot, moet het resulterende beeld zich in de microscoopbuis bevinden. Als het principe van het oculair hetzelfde is als dat van het vergrootglas, is het beeld dan niet gericht? Het menselijk oog zoomt in de tegenovergestelde richting (dezelfde kant van het object), dus hoe weet je hoe je de dubbele- vergroot beeld? Het afbeeldingsprincipe van de microscoop wordt weergegeven in de figuur. De brandpuntsafstand van de objectieflens is kort en de brandpuntsafstand van het oculair is lang. Het object vormt een omgekeerd echt beeld A"B door de objectieflens", het beeld bevindt zich in het brandpunt van het oculair (in de lenscilinder) en kan ook worden beschouwd als het object van het oculair, dat een rechtopstaand virtueel beeld na passage door het oculair; het is nog steeds hetzelfde als het vergrootglas en het objectbeeld bevindt zich aan dezelfde kant).
Hoe STM's werken
STM werkt door gebruik te maken van het kwantumtunneleffect. Als de metalen naaldpunt wordt gebruikt als een elektrode en het te meten vaste monster wordt gebruikt als de andere elektrode, wanneer de afstand tussen hen zo klein is als ongeveer 1 nm, zal een tunneleffect verschijnen en zullen elektronen door de ruimte gaan barrière van de ene elektrode naar de andere elektrode om een stroom te vormen. . En waar Ub: voorspanning; k: constant, ongeveer gelijk aan 1, Φ1/2: gemiddelde werkfunctie, S: afstand.
Uit de bovenstaande formule blijkt dat de tunnelstroom een negatieve exponentiële relatie heeft met de tip-sample-afstand S. Zeer gevoelig voor veranderingen in de afstand. Daarom, wanneer de naaldpunt het oppervlak van het te testen monster scant, zelfs als het oppervlak alleen fluctuaties op atomaire schaal heeft, zal dit zeer significante veranderingen in de tunnelstroom veroorzaken, zelfs in de buurt van de orde van grootte. Hierdoor kunnen fluctuaties op atomaire schaal in het oppervlak worden gereflecteerd door veranderingen in elektrische stroom te meten, zoals rechts weergegeven in de onderstaande afbeelding. Dit is het fundamentele werkingsprincipe van STM, en deze werkingsmodus wordt constante hoogtemodus genoemd (houd de punthoogte constant).
STM heeft ook een andere werkmodus, de zogenaamde constante stroommodus, zoals weergegeven aan de linkerkant van de onderstaande afbeelding. Op dit moment wordt tijdens het scanproces van de tip de tunnelstroom constant gehouden via de elektronische feedbacklus. Om een constante stroom te behouden, beweegt de naaldpunt op en neer met de ups en downs van het monsteroppervlak, om de baan van de op en neergaande beweging van de naaldpunt vast te leggen, en dan kan de topografie van het monsteroppervlak zijn gegeven.
De constante stroommodus is een veelgebruikte werkmodus van STM, terwijl de constante hoogtemodus alleen geschikt is voor het afbeelden van monsters met weinig oppervlaktefluctuaties. Wanneer het monsteroppervlak sterk fluctueert, aangezien de naaldpunt zich zeer dicht bij het monsteroppervlak bevindt, kan scannen in de modus met constante hoogte er gemakkelijk voor zorgen dat de naaldpunt in botsing komt met het monsteroppervlak, wat resulteert in schade aan de naaldpunt en het monsteroppervlak.
Hoe AFM's werken
Het basisprincipe van AFM is vergelijkbaar met dat van STM. Bij AFM wordt een naaldpunt op een elastische cantilever die erg gevoelig is voor zwakke krachten gebruikt om het monsteroppervlak op een rasterachtige manier te scannen. Wanneer de afstand tussen de naaldpunt en het monsteroppervlak erg klein is, is er een zeer zwakke kracht (10-12~10-6N) tussen de atomen aan de punt van de naaldpunt en de atomen aan de monster oppervlak. Op dit moment zal de micro-cantilever een kleine elastische vervorming ondergaan. De kracht F tussen de punt en het monster en de vervorming van de cantilever volgen de wet van Hooke: F=-k*x, waarbij k de krachtconstante van de cantilever is. Daarom kan, zolang de vervorming van de micro-cantilever wordt gemeten, de kracht tussen de punt en het monster worden verkregen. De kracht tussen de naaldpunt en het monster is sterk afhankelijk van de afstand, dus de feedbacklus wordt gebruikt om de kracht tussen de naaldpunt en het monster constant te houden tijdens het scanproces, dat wil zeggen dat de vervorming van de cantilever behouden blijft constant, en de naaldpunt zal het monster volgen. De ups en downs van het oppervlak bewegen op en neer, en het traject van de op en neergaande beweging van de naaldpunt kan worden vastgelegd om de informatie over de oppervlaktetopografie van het monster te verkrijgen. Deze werkmodus wordt "Constant Force Mode" genoemd en is de meest gebruikte scanmethode.
AFM-afbeeldingen kunnen ook worden verkregen met behulp van de "Constant Height Mode", dat wil zeggen tijdens X-, Y-scanning, zonder een feedbacklus te gebruiken, waarbij de afstand tussen de naaldpunt en het monster constant wordt gehouden, door de Z-richting van de microcantilever te meten. hoeveelheid vervorming van het beeld. Deze methode maakt geen gebruik van een feedbacklus en kan een hogere scansnelheid aannemen. Het wordt meestal meer gebruikt bij het observeren van atomen en moleculen, maar het is niet geschikt voor monsters met relatief grote oppervlaktefluctuaties.
