Eine schematische Darstellung des Bildsystems des Mikroskops
Die Funktion des Okulars entspricht der einer Lupe, allerdings befindet sich das Bild der Lupe auf der gleichen Seite wie das Objekt. Nachdem die Objektivlinse im Mikroskop das Objekt vergrößert hat, sollte sich das resultierende Bild im Mikroskoptubus befinden. Wenn das Prinzip des Okulars das gleiche ist wie das einer Lupe, ist sein Bild dann nicht in die entgegengesetzte Richtung (auf die gleiche Seite des Objekts) gerichtet? Woher wissen Sie also, wie man das Doppelte sieht? vergrößertes Bild? Das Abbildungsprinzip des Mikroskops ist in der Abbildung dargestellt. Die Brennweite des Objektivs ist kurz und die Brennweite des Okulars lang. Das Objekt bildet durch die Objektivlinse ein invertiertes reales Bild A „B“, das Bild befindet sich im Brennpunkt des Okulars (im Objektivtubus) und kann auch als Objekt des Okulars betrachtet werden, das zu einem wird aufrechtes virtuelles Bild nach Durchgang durch das Okular; es ist immer noch dasselbe wie die Lupe und das Objektbild befindet sich auf derselben Seite.
Wie STMs funktionieren
STM nutzt den Quantentunneleffekt. Wenn die Metallnadelspitze als eine Elektrode und die zu messende feste Probe als andere Elektrode verwendet wird und der Abstand zwischen ihnen nur etwa 1 nm beträgt, tritt ein Tunneleffekt auf und Elektronen wandern durch den Raum Barriere von einer Elektrode zur anderen Elektrode, um einen Strom zu erzeugen. . Und wobei Ub: Vorspannung; k: Konstante, ungefähr gleich 1, Φ1/2: durchschnittliche Austrittsarbeit, S: Abstand.
Aus der obigen Formel ist ersichtlich, dass der Tunnelstrom eine negative exponentielle Beziehung zum Abstand S zwischen Spitze und Probe aufweist. Sehr empfindlich gegenüber Abstandsänderungen. Wenn die Nadelspitze die Oberfläche der zu testenden Probe abtastet, führt dies daher zu sehr erheblichen Änderungen des Tunnelstroms, selbst wenn die Oberfläche nur Schwankungen auf atomarer Ebene aufweist, sogar in der Nähe der Größenordnung. Dadurch können Schwankungen auf atomarer Ebene in der Oberfläche durch die Messung von Änderungen des elektrischen Stroms widergespiegelt werden, wie rechts im Bild unten dargestellt. Dies ist das grundlegende Arbeitsprinzip von STM, und dieser Betriebsmodus wird als Konstanthöhenmodus (die Spitzenhöhe konstant halten) bezeichnet.
STM verfügt auch über einen anderen Arbeitsmodus, den sogenannten Konstantstrommodus, wie auf der linken Seite der Abbildung unten dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird während des Spitzenscanvorgangs der Tunnelstrom durch die elektronische Rückkopplungsschleife konstant gehalten. Um einen konstanten Strom aufrechtzuerhalten, bewegt sich die Nadelspitze mit dem Auf und Ab der Probenoberfläche auf und ab, um die Flugbahn der Auf- und Abbewegung der Nadelspitze und dann die Topographie der Probenoberfläche aufzuzeichnen gegeben.
Der Konstantstrommodus ist ein häufig verwendeter STM-Arbeitsmodus, während der Konstanthöhenmodus nur für die Abbildung von Proben mit geringen Oberflächenschwankungen geeignet ist. Wenn die Probenoberfläche stark schwankt, kann es beim Scannen im Konstanthöhenmodus leicht dazu kommen, dass die Nadelspitze mit der Probenoberfläche kollidiert, was zu Schäden an der Nadelspitze und der Probenoberfläche führt, da sich die Nadelspitze sehr nahe an der Probenoberfläche befindet.
Wie AFMs funktionieren
Das Grundprinzip von AFM ähnelt dem von STM. Beim AFM wird eine Nadelspitze auf einem elastischen Ausleger, der sehr empfindlich auf schwache Kräfte reagiert, verwendet, um die Probenoberfläche rasterartig abzutasten. Wenn der Abstand zwischen der Nadelspitze und der Probenoberfläche sehr gering ist, gibt es eine sehr schwache Kraft (10-12~10-6N) zwischen den Atomen an der Spitze der Nadelspitze und den Atomen darauf Probenoberfläche. Zu diesem Zeitpunkt erfährt der Mikroausleger eine kleine elastische Verformung. Die Kraft F zwischen der Spitze und der Probe und die Verformung des Auslegers folgen dem Hookeschen Gesetz: F=-k*x, wobei k die Kraftkonstante des Auslegers ist. Solange die Verformung des Mikroauslegers gemessen wird, kann daher die Kraft zwischen der Spitze und der Probe ermittelt werden. Da die Kraft zwischen der Nadelspitze und der Probe stark vom Abstand abhängt, wird die Rückkopplungsschleife verwendet, um die Kraft zwischen der Nadelspitze und der Probe während des Scanvorgangs konstant zu halten, d. h. die Verformung des Cantilevers bleibt erhalten konstant und die Nadelspitze folgt der Probe. Die Höhen und Tiefen der Oberfläche bewegen sich auf und ab, und die Flugbahn der Auf- und Abbewegung der Nadelspitze kann aufgezeichnet werden, um Informationen über die Oberflächentopographie der Probe zu erhalten. Dieser Arbeitsmodus wird „Constant Force Mode“ genannt und ist die am weitesten verbreitete Scanmethode.
AFM-Bilder können auch im „Constant Height Mode“ erhalten werden, d Ausmaß der Verformung des Bildes. Diese Methode verwendet keine Rückkopplungsschleife und kann eine höhere Scangeschwindigkeit ermöglichen. Es wird normalerweise eher bei der Beobachtung von Atomen und Molekülen verwendet, ist jedoch nicht für Proben mit relativ großen Oberflächenschwankungen geeignet.
