En skematisk illustration af mikroskopets billedsystem
Okularets funktion svarer til et forstørrelsesglas, men billedet af forstørrelsesglasset er på samme side som objektet. Efter at objektivlinsen i mikroskopet forstørrer objektet, skal det resulterende billede være i mikroskoprøret. Hvis princippet for okularet er det samme som for forstørrelsesglasset, vender dets billede ikke Det menneskelige øje zoomer i den modsatte retning (den samme side af objektet), så hvordan ved du, hvordan du ser dobbelt- forstørret billede? Mikroskopets billeddannende princip er vist på figuren. Objektivets brændvidde er kort, og okularets brændvidde er lang. Objektet danner et omvendt reelt billede A"B gennem objektivlinsen", billedet er placeret inden for okularets brændpunkt (inde i linsecylinderen), og det kan også betragtes som objektet for okularet, som bliver en opretstående virtuelt billede efter at have passeret gennem okularet; det er stadig det samme som forstørrelsesglasset, og objektbilledet er på samme side).
Sådan fungerer STM'er
STM virker ved at udnytte kvantetunneleffekten. Hvis metalnålespidsen bruges som en elektrode, og den faste prøve, der skal måles, bruges som den anden elektrode, når afstanden mellem dem er så lille som ca. 1 nm, vil der opstå en tunneleffekt, og elektroner vil passere gennem rummet barriere fra den ene elektrode til den anden elektrode for at danne en strøm. . Og hvor Ub: forspænding; k: konstant, omtrent lig med 1, Φ1/2: gennemsnitlig arbejdsfunktion, S: afstand.
Det kan ses af ovenstående formel, at tunnelstrømmen har et negativt eksponentielt forhold til spids-sample afstanden S. Meget følsom over for ændringer i afstanden. Når nålespidsen scanner overfladen af prøven, der skal testes, vil det derfor, selvom overfladen kun har udsving i atomskala, forårsage meget betydelige ændringer i tunnelstrømmen, selv tæt på størrelsesordenen. Dette gør det muligt at reflektere atomskalaudsving i overfladen ved at måle ændringer i elektrisk strøm, som vist til højre på billedet nedenfor. Dette er det grundlæggende arbejdsprincip for STM, og denne funktionsmåde kaldes konstanthøjdetilstand (hold spidshøjden konstant).
STM har også en anden arbejdstilstand, kaldet konstantstrømstilstand, som vist i venstre side af figuren nedenfor. På dette tidspunkt, under spidsscanningsprocessen, holdes tunnelstrømmen konstant gennem den elektroniske feedbacksløjfe. For at opretholde en konstant strøm, bevæger nålespidsen sig op og ned med prøveoverfladens op- og nedadgående bevægelser for at registrere banen for nålespidsens op- og nedadgående bevægelse, og derefter kan topografien af prøveoverfladen være givet.
Konstant strømtilstand er en almindeligt anvendt arbejdstilstand for STM, mens konstanthøjdetilstand kun er egnet til billeddannelse af prøver med små overfladeudsving. Når prøveoverfladen svinger meget, da nålespidsen er meget tæt på prøveoverfladen, kan scanning i konstant højde-tilstand nemt få nålespidsen til at kollidere med prøveoverfladen, hvilket resulterer i beskadigelse af nålespidsen og prøveoverfladen.
Sådan fungerer AFM'er
Det grundlæggende princip for AFM svarer til det for STM. I AFM bruges en nålespids på en elastisk cantilever, der er meget følsom over for svage kræfter, til at scanne prøveoverfladen på en raster måde. Når afstanden mellem nålespidsen og prøveoverfladen er meget tæt, er der en meget svag kraft (10-12~10-6N) mellem atomerne ved spidsen af nålespidsen og atomerne på prøveoverflade. På dette tidspunkt vil mikro-cantileveren gennemgå en lille elastisk deformation. Kraften F mellem spidsen og prøven og deformationen af cantilever følger Hookes lov: F=-k*x, hvor k er kraftkonstanten for cantilever. Så længe deformationen af mikro-cantileveren måles, kan kraften mellem spidsen og prøven derfor opnås. Kraften mellem nålespidsen og prøven har en stærk afhængighed af afstanden, så feedbacksløjfen bruges til at holde kraften mellem nålespidsen og prøven konstant under scanningsprocessen, det vil sige, at udkragningens deformation holdes konstant, og nålespidsen vil følge prøven. Overfladens op- og nedture bevæger sig op og ned, og banen for nålespidsens op- og nedadgående bevægelse kan registreres for at opnå information om prøvens overfladetopografi. Denne arbejdstilstand kaldes "Constant Force Mode" og er den mest udbredte scanningsmetode.
AFM-billeder kan også opnås ved at bruge "Constant Height Mode", det vil sige under X, Y-scanning, uden at bruge en feedback-loop, ved at holde afstanden mellem nålespidsen og prøven konstant ved at måle Z-retningen af mikrocantileveren. mængden af deformation til billedet. Denne metode bruger ikke en feedback-loop og kan anvende en højere scanningshastighed. Det bruges normalt mere, når man observerer atomer og molekyler, men det er ikke egnet til prøver med relativt store overfladeudsving.
