顕微鏡の画像システムを示す概略図
接眼レンズの機能は虫眼鏡と同等ですが、虫眼鏡の像は対象物と同じ側にあります。 顕微鏡の対物レンズが物体を拡大した後、その結果の画像が顕微鏡鏡筒内に表示されるはずです。 接眼レンズの原理が虫眼鏡と同じなら、その像は向いていませんか？ 人間の目は反対方向（物体の同じ側）にズームします。拡大画像？ 顕微鏡の結像原理を図に示します。 対物レンズの焦点距離が短く、接眼レンズの焦点距離が長い。 物体は対物レンズを通して倒立実像 A"B を形成し、その像は接眼レンズの焦点内 (鏡筒内) に位置し、接眼レンズの物体とみなすこともできます。接眼レンズを通過した後の直立虚像。 これは虫眼鏡と同じであり、オブジェクトの画像は同じ側にあります)。
STM の仕組み
STM は量子トンネル効果を利用して機能します。 一方の電極として金属針の先端、もう一方の電極として測定対象の固体試料を使用すると、両者の距離が1nm程度と小さいとトンネル効果が現れ、電子がその空間を通過します。一方の電極からもう一方の電極まで障壁を作り、電流を形成します。 。 ここで、Ub: バイアス電圧。 k: 定数、ほぼ 1、Φ1/2: 平均仕事関数、S: 距離。
上の式から、トンネル電流はチップとサンプルの距離 S と負の指数関数的な関係にあることがわかります。間隔の変化に非常に敏感です。 したがって、針の先端が検査対象のサンプルの表面を走査すると、表面に原子スケールの変動しかない場合でも、トンネル電流に非常に大きな変化が発生し、桁数に近い変化が生じます。 これにより、下の画像の右側に示すように、電流の変化を測定することで表面の原子スケールの変動を反映することができます。 これが STM の基本的な動作原理であり、この動作モードは定高モード (先端の高さを一定に保つ) と呼ばれます。
STM には、次の図の左側に示すように、定電流モードと呼ばれる別の動作モードもあります。 このとき、チップスキャンプロセス中、トンネル電流は電子フィードバックループを通じて一定に保たれます。 一定の電流を維持するために、サンプル表面の起伏に合わせて針先が上下に動き、針先の上下運動の軌跡を記録することで、サンプル表面のトポグラフィーを把握することができます。与えられた。
定電流モードは STM の一般的に使用される動作モードですが、定高モードは表面変動が少ないサンプルのイメージングにのみ適しています。 試料表面の変動が大きい場合、針先が試料表面に非常に近いため、高さ一定モードでスキャンすると針先が試料表面に衝突しやすくなり、針先や試料表面を損傷する可能性があります。
AFM の仕組み
AFM の基本原理は STM の原理と似ています。 AFM では、弱い力に非常に敏感な弾性カンチレバー上の針先を使用して、サンプル表面をラスター方式でスキャンします。 針先と試料表面との距離が非常に近い場合、針先の原子と試料表面の原子の間には非常に弱い力（10-12~10-6N）がかかります。サンプル表面。 このとき、マイクロカンチレバーはわずかな弾性変形を起こします。 チップとサンプルの間の力 F とカンチレバーの変形は、フックの法則 F=-k*x に従います。ここで、k はカンチレバーの力の定数です。 したがって、マイクロカンチレバーの変形を測定すれば、先端と試料との間にかかる力を求めることができます。 針先とサンプルの間の力は距離に強く依存するため、スキャンプロセス中に針先とサンプルの間の力を一定に保つためにフィードバックループが使用されます。つまり、カンチレバーの変形が維持されます。一定であり、針先はサンプルに追従します。 表面の凹凸が上下に動き、針先の上下運動の軌跡を記録することで試料の表面形状の情報を得ることができます。 この動作モードは「定力モード」と呼ばれ、最も広く使用されているスキャン方法です。
「高さ一定モード」を使用してAFM画像を取得することもできます。つまり、X、Yスキャン中に、フィードバックループを使用せずに、マイクロカンチレバーのZ方向を測定することで針先とサンプルの間の距離を一定に保ちます。画像の変形量。 この方法ではフィードバック ループを使用しないため、より高速なスキャン速度を採用できます。 通常、原子や分子を観察する場合に多く使用されますが、表面の揺らぎが比較的大きい試料には適していません。
