顯微鏡成像原理圖

顯微鏡成像原理圖

我知道目鏡的作用相當(dāng)于放大鏡,但放大鏡成的像是物相同側(cè)而顯微鏡當(dāng)中的物鏡將物體放大后,所成的像應(yīng)在顯微鏡管內(nèi).如果目鏡的原理和放大鏡一樣,那它的像豈不是朝人眼反方向放大(物相同側(cè))那么認(rèn)識(shí)如何看到二次放大的像呢?顯微鏡的成像原理如圖所示，物鏡焦距較短，目鏡焦距較長(zhǎng)，物體經(jīng)物鏡成一倒立實(shí)像AB，該像位于目鏡焦點(diǎn)以內(nèi)（鏡筒內(nèi)），它又可看作目鏡的物，經(jīng)目鏡后成正立虛像;.其還是與放大鏡一樣，物像同側(cè)）。

這個(gè)是兩次折射的結(jié)果，并不是單純一個(gè)目鏡的作用。

STM的工作原理

STM是利用量子隧道效應(yīng)工作的。若以金屬針尖為一電極，被測(cè)固體樣品為另一電極，當(dāng)他們之間的距離小到1nm左右時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)隧道效應(yīng)，電子從一個(gè)電極穿過(guò)空間勢(shì)壘到達(dá)另一電極形成電流。且其中Ub：偏置電壓；k：常數(shù)，約等于1，Φ1/2：平均功函數(shù)，S：距離。

從上式可知，隧道電流與針尖樣品間距S成負(fù)指數(shù)關(guān)系。對(duì)于間距的變化非常敏感。因此，當(dāng)針尖在被測(cè)樣品表面做平面掃描時(shí)，即使表面僅有原子尺度的起伏，也會(huì)導(dǎo)致隧道電流的非常顯著的、甚至接近數(shù)量級(jí)的變化。這樣就可以通過(guò)測(cè)量電流的變化來(lái)反應(yīng)表面上原子尺度的起伏，如下圖右邊所示。這就是STM的基本工作原理，這種運(yùn)行模式稱為恒高模式（保持針尖高度恒定）。

STM還有另外一種工作模式，稱為恒流模式，如下圖左邊。此時(shí)，針尖掃描過(guò)程中，通過(guò)電子反饋回路保持隧道電流不變。為維持恒定的電流，針尖隨樣品表面的起伏上下移動(dòng)，從而記錄下針尖上下運(yùn)動(dòng)的軌跡，即可給出樣品表面的形貌。

恒流模式是STM常用的工作模式，而恒高模式僅適于對(duì)表面起伏不大的樣品進(jìn)行成像。當(dāng)樣品表面起伏較大時(shí)，由于針尖離樣品表面非常近，采用恒高模式掃描容易造成針尖與樣品表面相撞，導(dǎo)致針尖與樣品表面的破壞。

STM原理圖

AFM的工作原理

AFM的基本原理與STM類似，在AFM中，使用對(duì)微弱力非常敏感的彈性懸臂上的針尖對(duì)樣品表面作光柵式掃描。當(dāng)針尖和樣品表面的距離非常接近時(shí)，針尖尖端的原子與樣品表面的原子之間存在極微弱的作用力（10-12~10-6N），此時(shí)，微懸臂就會(huì)發(fā)生微小的彈性形變。針尖與樣品之間的力F與微懸臂的形變之間遵循虎克定律：F=-k*x，其中，k為微懸臂的力常數(shù)。所以，只要測(cè)出微懸臂形變量的大小，就可以獲得針尖與樣品之間作用力的大小。針尖與樣品之間的作用力與距離有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系，所以在掃描過(guò)程中利用反饋回路保持針尖與樣品之間的作用力恒定，即保持為懸臂的形變量不變，針尖就會(huì)隨樣品表面的起伏上下移動(dòng)，記錄針尖上下運(yùn)動(dòng)的軌跡即可得到樣品表面形貌的信息。這種工作模式被稱為“恒力”模式（ConstantForceMode），是使用最廣泛的掃描方式。
AFM的圖像也可以使用“恒高”模式（ConstantHeightMode）來(lái)獲得，也就是在X，Y掃描過(guò)程中，不使用反饋回路，保持針尖與樣品之間的距離恒定，通過(guò)測(cè)量微懸臂Z方向的形變量來(lái)成像。這種方式不使用反饋回路，可以采用更高的掃描速度，通常在觀察原子、分子像時(shí)用得比較多，而對(duì)于表面起伏比較大的樣品不適用。