O schemă care ilustrează sistemul de imagine al microscopului
Funcția ocularului este echivalentă cu cea a unei lupe, dar imaginea lupei este pe aceeași parte cu obiectul. După ce obiectivul din microscop mărește obiectul, imaginea rezultată ar trebui să fie în tubul microscopului. Dacă principiul ocularului este același cu cel al lupei, imaginea lui nu este orientată Ochiul uman mărește în direcția opusă (aceeași parte a obiectului), așa că de unde știi cum să vezi dublu- imagine mărită? Principiul imagistic al microscopului este prezentat în figură. Distanța focală a obiectivului este scurtă, iar distanța focală a ocularului este mare. Obiectul formează o imagine reală inversată A"B prin lentila obiectivului", imaginea este situată în punctul focal al ocularului (în interiorul cilindrului lentilei) și poate fi privită și ca obiect al ocularului, care devine un imagine virtuală verticală după trecerea prin ocular; este tot la fel cu lupa, iar imaginea obiectului este pe aceeași parte).
Cum funcționează STM-urile
STM funcționează prin utilizarea efectului de tunel cuantic. Dacă vârful metalic al acului este folosit ca un electrod, iar proba solidă care trebuie măsurată este folosită ca celălalt electrod, atunci când distanța dintre ele este de aproximativ 1 nm, va apărea un efect de tunel și electronii vor trece prin spațiu barieră de la un electrod la celălalt electrod pentru a forma un curent. . Și unde Ub: tensiune de polarizare; k: constantă, aproximativ egală cu 1, Φ1/2: funcție de lucru medie, S: distanță.
Din formula de mai sus se poate observa că curentul de tunel are o relație exponențială negativă cu distanța vârf-eșantion S. Foarte sensibil la modificările distanței. Prin urmare, atunci când vârful acului scanează suprafața probei de testat, chiar dacă suprafața are doar fluctuații la scară atomică, va provoca modificări foarte semnificative ale curentului tunelului, chiar și aproape de ordinul de mărime. Acest lucru permite ca fluctuațiile la scară atomică din suprafață să fie reflectate prin măsurarea modificărilor curentului electric, așa cum se arată în dreapta în imaginea de mai jos. Acesta este principiul de lucru de bază al STM, iar acest mod de funcționare se numește modul de înălțime constantă (menține constantă înălțimea vârfului).
STM are și un alt mod de lucru, numit mod curent constant, așa cum se arată în partea stângă a figurii de mai jos. În acest moment, în timpul procesului de scanare a vârfului, curentul tunelului este menținut constant prin bucla de feedback electronic. Pentru a menține un curent constant, vârful acului se mișcă în sus și în jos odată cu suișurile și coborâșurile suprafeței probei, astfel încât să înregistreze traiectoria mișcării în sus și în jos a vârfului acului, iar apoi topografia suprafeței probei poate fi dat.
Modul de curent constant este un mod de lucru utilizat în mod obișnuit al STM, în timp ce modul de înălțime constantă este potrivit doar pentru imagistica probelor cu fluctuații reduse de suprafață. Când suprafața eșantionului fluctuează foarte mult, deoarece vârful acului este foarte aproape de suprafața probei, scanarea în modul de înălțime constantă poate determina cu ușurință să ciocnească vârful acului cu suprafața probei, ducând la deteriorarea vârfului acului și a suprafeței probei.
Cum funcționează AFM-urile
Principiul de bază al AFM este similar cu cel al STM. În AFM, un vârf de ac pe o consolă elastică care este foarte sensibil la forțele slabe este utilizat pentru a scana suprafața probei într-o manieră raster. Când distanța dintre vârful acului și suprafața probei este foarte apropiată, există o forță foarte slabă (10-12~10-6N) între atomii de la vârful vârfului acului și atomii de pe suprafața probei. În acest moment, micro-consola va suferi o mică deformare elastică. Forța F dintre vârf și eșantion și deformarea consolei urmează legea lui Hooke: F=-k*x, unde k este constanta de forță a consolei. Prin urmare, atâta timp cât se măsoară deformarea micro-consolului, se poate obține forța dintre vârf și probă. Forța dintre vârful acului și probă are o dependență puternică de distanță, astfel încât bucla de feedback este utilizată pentru a menține forța dintre vârful acului și probă constantă în timpul procesului de scanare, adică deformarea cantileverului este păstrată constantă, iar vârful acului va urma proba. Urcurile și coborâșurile suprafeței se deplasează în sus și în jos, iar traiectoria mișcării în sus și în jos a vârfului acului poate fi înregistrată pentru a obține informațiile topografiei suprafeței probei. Acest mod de lucru se numește „Constant Force Mode” și este cea mai utilizată metodă de scanare.
Imaginile AFM pot fi obținute și folosind „Constant Height Mode”, adică în timpul scanării X, Y, fără a utiliza o buclă de feedback, păstrând constantă distanța dintre vârful acului și probă, prin măsurarea direcției Z a microconsolei. cantitatea de deformare a imaginii. Această metodă nu utilizează o buclă de feedback și poate adopta o viteză de scanare mai mare. De obicei, este folosit mai mult atunci când se observă atomi și molecule, dar nu este potrivit pentru probe cu fluctuații de suprafață relativ mari.
