แผนผังแสดงระบบภาพของกล้องจุลทรรศน์
การทำงานของเลนส์ใกล้ตาเทียบเท่ากับแว่นขยาย แต่ภาพของแว่นขยายจะอยู่ด้านเดียวกับวัตถุ หลังจากที่เลนส์ใกล้วัตถุในกล้องจุลทรรศน์ขยายวัตถุแล้ว ภาพที่ได้ควรอยู่ในท่อของกล้องจุลทรรศน์ ถ้าหลักการของเลนส์ใกล้ตาเหมือนกับของแว่นขยาย คือเลนส์หันเข้าหาภาพไม่ใช่หรือ ตาคนจะซูมไปในทิศทางตรงกันข้าม (ด้านเดียวกับวัตถุ) แล้วคุณจะรู้ได้อย่างไรว่ามองเห็นเลนส์ตาเป็นสองเท่า ภาพขยาย? หลักการถ่ายภาพของกล้องจุลทรรศน์แสดงไว้ในรูป ทางยาวโฟกัสของเลนส์ใกล้วัตถุสั้น และทางยาวโฟกัสของเลนส์ใกล้ตานั้นยาว วัตถุจะสร้างภาพจริงกลับหัว A"B ผ่านเลนส์ใกล้วัตถุ" ภาพจะอยู่ภายในจุดโฟกัสของเลนส์ใกล้ตา (ภายในกระบอกเลนส์) และยังถือได้ว่าเป็นวัตถุของเลนส์ใกล้ตาอีกด้วย ซึ่งกลายเป็น ภาพเสมือนตั้งตรงหลังจากผ่านช่องมองภาพ ยังคงเป็นแว่นขยายเหมือนเดิมและภาพวัตถุก็อยู่ด้านเดียวกัน)
วิธีการทำงานของ STM
STM ทำงานโดยใช้เอฟเฟกต์อุโมงค์ควอนตัม หากใช้ปลายเข็มโลหะเป็นอิเล็กโทรดหนึ่ง และใช้ตัวอย่างของแข็งที่จะวัดเป็นอีกอิเล็กโทรด เมื่อระยะห่างระหว่างพวกมันมีขนาดเล็กเพียงประมาณ 1 นาโนเมตร เอฟเฟกต์อุโมงค์จะปรากฏขึ้น และอิเล็กตรอนจะผ่านช่องว่าง สิ่งกีดขวางจากอิเล็กโทรดหนึ่งไปยังอีกอิเล็กโทรดเพื่อสร้างกระแส . และโดยที่ Ub: แรงดันไบอัส; k: ค่าคงที่, ประมาณเท่ากับ 1, Φ1/2: ฟังก์ชันการทำงานโดยเฉลี่ย, S: ระยะทาง
จะเห็นได้จากสูตรข้างต้นว่ากระแสอุโมงค์มีความสัมพันธ์แบบเลขชี้กำลังเชิงลบกับระยะปลายตัวอย่าง S ไวมากต่อการเปลี่ยนแปลงของระยะห่าง ดังนั้น เมื่อปลายเข็มสแกนพื้นผิวของตัวอย่างที่จะทดสอบ แม้ว่าพื้นผิวจะมีความผันผวนในระดับอะตอมเท่านั้น จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญมากในกระแสอุโมงค์ แม้จะใกล้เคียงกับลำดับความสำคัญ ซึ่งช่วยให้ความผันผวนของระดับอะตอมในพื้นผิวสามารถสะท้อนได้โดยการวัดการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้า ดังที่แสดงทางด้านขวาของภาพด้านล่าง นี่คือหลักการทำงานพื้นฐานของ STM และโหมดการทำงานนี้เรียกว่าโหมดความสูงคงที่ (รักษาความสูงของทิปให้คงที่)
STM ยังมีโหมดการทำงานอื่นที่เรียกว่าโหมดกระแสคงที่ดังที่แสดงทางด้านซ้ายของรูปด้านล่าง ในขณะนี้ ในระหว่างขั้นตอนการสแกนทิป กระแสในอุโมงค์จะคงที่ผ่านวงจรป้อนกลับแบบอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อรักษากระแสให้คงที่ ปลายเข็มจะเลื่อนขึ้นและลงตามการขึ้นและลงของพื้นผิวตัวอย่าง เพื่อบันทึกวิถีการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่ขึ้นและลงของปลายเข็ม จากนั้นจึงจะสามารถกำหนดภูมิประเทศของพื้นผิวตัวอย่างได้ ที่ให้ไว้.
โหมดกระแสคงที่เป็นโหมดการทำงานที่ใช้กันทั่วไปของ STM ในขณะที่โหมดความสูงคงที่เหมาะสำหรับตัวอย่างภาพที่มีความผันผวนของพื้นผิวเพียงเล็กน้อยเท่านั้น เมื่อพื้นผิวตัวอย่างมีความผันผวนอย่างมาก เนื่องจากปลายเข็มอยู่ใกล้กับพื้นผิวตัวอย่างมาก การสแกนในโหมดความสูงคงที่อาจทำให้ปลายเข็มชนกับพื้นผิวตัวอย่างได้ง่าย ส่งผลให้ปลายเข็มและพื้นผิวตัวอย่างเสียหาย
AFM ทำงานอย่างไร
หลักการพื้นฐานของ AFM คล้ายกับของ STM ใน AFM จะใช้ปลายเข็มบนคานยื่นแบบยืดหยุ่นซึ่งไวต่อแรงที่อ่อนแอมากเพื่อสแกนพื้นผิวตัวอย่างในลักษณะแรสเตอร์ เมื่อระยะห่างระหว่างปลายเข็มกับพื้นผิวตัวอย่างใกล้กันมาก จะมีแรงที่อ่อนมาก (10-12~10-6N) ระหว่างอะตอมที่ปลายเข็มกับอะตอมบน พื้นผิวตัวอย่าง ในขณะนี้ เท้าแขนขนาดเล็กจะเกิดการเสียรูปแบบยืดหยุ่นเล็กน้อย แรง F ระหว่างส่วนปลายกับตัวอย่างและการเสียรูปของคานยื่นเป็นไปตามกฎของฮุค: F=-k*x โดยที่ k คือค่าคงที่แรงของคานยื่น ดังนั้น ตราบเท่าที่วัดการเสียรูปของคานยื่นขนาดเล็ก จะสามารถรับแรงระหว่างปลายและตัวอย่างได้ แรงระหว่างปลายเข็มและตัวอย่างขึ้นอยู่กับระยะทาง ดังนั้นวงจรป้อนกลับจึงถูกใช้เพื่อรักษาแรงระหว่างปลายเข็มและตัวอย่างให้คงที่ในระหว่างกระบวนการสแกน นั่นคือรักษาการเสียรูปของคานค้ำไว้ คงที่และปลายเข็มจะเคลื่อนไปตามตัวอย่าง การขึ้นและลงของพื้นผิวจะเลื่อนขึ้นและลง และสามารถบันทึกวิถีการเคลื่อนที่ขึ้นและลงของปลายเข็มเพื่อให้ได้ข้อมูลของภูมิประเทศพื้นผิวของตัวอย่าง โหมดการทำงานนี้เรียกว่า "โหมดแรงคงที่" และเป็นวิธีการสแกนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด
นอกจากนี้ยังสามารถรับภาพ AFM ได้โดยใช้ "โหมดความสูงคงที่" นั่นคือระหว่างการสแกน X, Y โดยไม่ต้องใช้ลูปป้อนกลับ รักษาระยะห่างระหว่างปลายเข็มกับค่าคงที่ของตัวอย่างโดยการวัดทิศทาง Z ของไมโครแคนทิลิเวอร์ ปริมาณการเสียรูปของภาพ วิธีนี้ไม่ใช้วงจรป้อนกลับและสามารถใช้ความเร็วในการสแกนที่สูงขึ้นได้ โดยปกติจะใช้มากกว่าเมื่อสังเกตอะตอมและโมเลกุล แต่ไม่เหมาะสำหรับตัวอย่างที่มีความผันผวนของพื้นผิวค่อนข้างมาก
