顯微鏡成像原理圖

顯微鏡成像原理圖

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/307902.htm

我知道目鏡的作用相當於放大鏡,但放大鏡成的像是物相同側而顯微鏡當中的物鏡將物體放大後,所成的像應在顯微鏡管內.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)那麼認識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，物體經物鏡成一倒立實像AB，該像位於目鏡焦點以內（鏡筒內），它又可看作目鏡的物，經目鏡後成正立虛像;.其還是與放大鏡一樣，物像同側）。

這個是兩次折射的結果，並不是單純一個目鏡的作用。

STM的工作原理

STM是利用量子隧道效應工作的。若以金屬針尖為一電極，被測固體樣品為另一電極，當他們之間的距離小到1nm左右時，就會出現隧道效應，電子從一個電極穿過空間勢壘到達另一電極形成電流。且其中Ub：偏置電壓；k：常數，約等於1，Φ1/2：平均功函數，S：距離。

從上式可知，隧道電流與針尖樣品間距S成負指數關係。對於間距的變化非常敏感。因此，當針尖在被測樣品表面做平面掃描時，即使表面僅有原子尺度的起伏，也會導致隧道電流的非常顯著的、甚至接近數量級的變化。這樣就可以通過測量電流的變化來反應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，這種運行模式稱為恆高模式（保持針尖高度恆定）。

STM還有另外一種工作模式，稱為恆流模式，如下圖左邊。此時，針尖掃描過程中，通過電子反饋迴路保持隧道電流不變。為維持恆定的電流，針尖隨樣品表面的起伏上下移動，從而記錄下針尖上下運動的軌跡，即可給出樣品表面的形貌。

恆流模式是STM常用的工作模式，而恆高模式僅適於對表面起伏不大的樣品進行成像。當樣品表面起伏較大時，由於針尖離樣品表面非常近，採用恆高模式掃描容易造成針尖與樣品表面相撞，導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，使用對微弱力非常敏感的彈性懸臂上的針尖對樣品表面作光柵式掃描。當針尖和樣品表面的距離非常接近時，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，微懸臂就會發生微小的彈性形變。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。所以，只要測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烈的依賴關係，所以在掃描過程中利用反饋迴路保持針尖與樣品之間的作用力恆定，即保持為懸臂的形變量不變，針尖就會隨樣品表面的起伏上下移動，記錄針尖上下運動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「恆力」模式（ConstantForceMode），是使用最廣泛的掃描方式。
AFM的圖像也可以使用「恆高」模式（ConstantHeightMode）來獲得，也就是在X，Y掃描過程中，不使用反饋迴路，保持針尖與樣品之間的距離恆定，通過測量微懸臂Z方向的形變量來成像。這種方式不使用反饋迴路，可以採用更高的掃描速度，通常在觀察原子、分子像時用得比較多，而對於表面起伏比較大的樣品不適用。