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1、精品名师归纳总结AFM原子力显微镜技术及应用试验报告指导老师：袁求理近代物理试验报告物理班试验小组2021 年 12 月 18 日引言在当今的科学技术中，如何观看、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体， 是一个重要的争论方向。扫描隧道显微镜STM使人们首次能够真正实时的观看到单个原子在物体表面的排列方式和与表面电子行为有关的物理、化学性质。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结STM要求样品表面能够导电，从而使得STM只能直接观看导体和半导体的表面结构。为了克服 STM的不足之处，推出了原子力显微镜 AFM。AFM是通过探针与被测样品之间脆弱的相互作用力 原子力来获得物质表面形貌的信息
2、。因此， AFM除导电样品外，仍能够观测非导电样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆 盖, 其应用领域将更为宽敞。除物理，化同学物等领域外，AFM在为微电子，微机械学，新型材料，医学等领域有着广泛的应用，以STM和 AFM为基础，衍生出一系列的扫描探针显微镜，有激光里显微镜，磁力显微镜，扫描探针显微镜主要用于对物质表面在纳 M线上进行成像和分析。一、试验组员：邵孙国（ 10072127）、周柬辉（ 10072137）、陈俊峰（ 10072122）、任寿良（10072126）。二、试验目的：、学习和明白 AFM的结构和原理。、把握 AFM的操作和调试过程，并以之来观看样品表面的形貌。、学习用运算机
3、软件来处理原始数据图像。三、试验原理简析：1. AFM 基本原理原子力显微镜的工作原理就是将探针装在一弹性微悬臂的一端，微悬臂的另一端固定，当探针在样品表面扫描时，探针与样品表面原子间的排斥力会使得微悬臂略微变形，这样，微悬臂的略微变形就可以作为探针和样品间排斥力的直接量度。一束激光经微悬臂的背面反射到光电检测器，可以精确测量微悬臂的微小变形，这样就实现了通过检测样品与探针之间的原子排斥力来反映样品表面形貌和其他表面结构。在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。如图一显示。（1） 力检测部分 在原子力显微镜系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。使用
4、微悬臂来检测原子之间力的变化量。如图2 所示，微悬臂通常由一个一般 100500m长和大约 500nm 5m厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品针尖间的相互作用力。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结（2） 位置检测部分 在原子力显微镜系统中，当针尖与样品之间有了作用之后，会使得悬臂摇摆，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会 由于悬臂摇摆而有所转变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光 斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM把握器作信号处理。聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位置检测器，通过对落在检测器四个象限的 光强
5、进行运算，可以得到由于表面形貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到样品 表面的不同信息。（3） 反馈系统 在原子力显微镜系统中，将信号经由激光检测器取入之后， 在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并促使通常由压电陶瓷制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持确定的作用力。2. AFM 有 三种 不同 的工 作模式 : 接触模 式 contact mode 、非 接 触模 式noncontact mode 和共振模式或小扣模式 Tapping Mode 。（1） 接触模式：从概念上来懂得，接触模式是 AFM最直接的成像模式。 AFM在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表
6、面保持亲热的接触，而相互作用力是排斥力。扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范畴在 10 - 10 10 - 6 N。 如样品表面柔嫩而不能承担这样的力，便不宜选用接触模式对样品表面进行成像。（2） 非接触模式非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方510 nm 的距离处振荡。 这时，样品与针尖之间的相互作用由范德华力把握，通常为10 - 12 N， 样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，特殊适合于争论柔嫩物体的表面。这种操作模式的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模式特殊困难。由于样品表面不行防止的会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一小小的毛
7、细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面的压力。（3） 敲击模式在敲击模式中，一种恒定的促使力使探针悬臂以确定的频率振动。当针尖刚接触样品时，悬臂振幅会削减到某一数值。在扫描过程中，反馈回路保护悬臂振幅在这一数值恒定，亦即作用在样品上的力恒定，通过记录压电陶瓷管的移动得到样品表面形貌图。对于接触模式，由于探针和样品间的相互作用力会引起微悬臂发生形变，也就是说微悬臂的形变作为样品和针尖相互作用力的直接度量。同上述小扣式，反馈系统保持针尖样品作用力恒定从而得到表面形貌图。原子力显微镜是用微小探针“摸索”样品表面来获得信息，所以测得的图像是样品最表面的形貌，而没有深度信息。扫描过程中，探针在选
8、定区域沿着样品表面逐行扫描。试验扫描的是光栅，纳 M铜微粒以及纳 M微粒，选用的是小扣式。敲击模式优点：敲击模式在确定程度上减小样品对针尖的粘滞现象，由于针尖与 样品表面接触时，利用其振幅来克服针尖 样品间的粘附力。并且由于敲击模式作用力是垂直的，表面材料受横向摩擦力和剪切力的影响都比较小，减小扫描过 程中针尖对样品的损坏。所以对于较软以及粘性较大的样品，应选用敲击模式。四、试验步骤： 一、试验前预备：样品制备可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结1） 铜微粒样品制备把之前试验制备得的铜微粒纳M 材料分散到溶剂中，比较稀的状态下，然后涂于解离后的云母片上，自然晾干。2） 纳 M微粒制
9、备把纳 M 微粒材料分散到溶剂中，比较稀的状态下，然后涂于解离后的云母片上，自然晾干。3） 光盘光栅制备对于光盘光栅的样品猎取，接受胶纸法。先把两面胶纸粘贴在样品光盘上，在贴上样品座，在将样品座抠下来，保证表面的光滑和无杂质。调光和寻共振峰1) 粗调探测头部上方俩个旋钮，让激光光斑大约打在基座上。2) 调探测头部上方某个旋钮，让光斑打在悬臂范畴内。再调剂另一端旋钮， 同方向移动看四象限接收器上是否有3 个亮斑。通常选择中间亮斑进行调剂。另外调剂光斑使其移动到悬臂尖端，然后回调两旋钮使得亮斑最为光亮圆润。3) 调剂探测头部侧面两个旋钮，通过软件调剂使光斑基本打在四象限接收器中间。4) 将“自动扫
10、描”和“起振”选项勾上，进行扫频操作。5) 寻峰的目的主要是选择可以使悬臂达到共振状态的激振频率，使悬臂达到共振状态来实现扫描。二、试验中测量过程1） 依次开启：电脑 - 把握机箱 - 高压电源 - 激光器。2） 用粗调旋钮将样品靠近微探针至两者间距1 mm。3） 再用细调旋钮使样品靠近微探针：顺时针旋细调旋钮，直至光斑突然向PSD移动。4） 缓慢的逆时针调剂细调旋钮并观看机箱上反馈读数：Z 反馈信号约稳固在 150 至 250 之间（不单调增减即可），就可以开头扫描样品。5） 读数基本稳固后，打开扫描软件，开头扫描。6） 扫描完毕后，逆时针转动细调旋钮退样品，细调要退到底。再逆时针转动粗调旋
11、钮退样品，直至下方平台伸出1 厘 M左右。7） 试验完毕，依次关闭：激光器 - 高压电源 - 把握机箱。8） 处理图像，得到尺寸。五、试验结果：（1） 铜微粒的表面形貌铜微粒测量结果如下：铜微粒大小 小颗粒半径 r= 6nm颗粒堆半径 R=11nm扫描范畴 X：10003 nm。 Y：10003nm 图像大小 X：238 pixel。 Y： 238 pixel 测量运算图：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结3D 图：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结（2）纳 M 微粒的表面形貌纳 M 微粒测量结果如下：纳 M 微粒大小 纳 M 微粒半径： r=7扫描范畴 X：100
12、03 nm。 Y：10003nm 图像大小 X：238 pixel。 Y： 238 pixel 测量运算图：3D 图：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结（3）光盘光栅的表面形貌光盘光栅测量结果如下：光盘光栅大小 间距 l=23*2=46nm扫描范畴 X：10003 nm。 Y：10003nm 图像大小 X：238 pixel。 Y： 238 pixel 测量运算图：3D图：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结六、试验分析：（1） AFM 探测到的原子力的由哪两种主要成分组成？一种是吸引力即范德瓦耳斯力。另外一种是电子云重叠而引起的排斥相互作用。（2） 怎样使用 AFM
13、 ，才能较好的爱惜探针？仔细调剂接触距离，粗调时，不要让指针压迫样品，保持1mm，扫描过程中保证探针不产生破坏性形变。（3） 原子力显微镜有哪些应用？原子力显微镜可以用于争论金属和半导体的表面形貌、表面重构、表面电子态及动态过程 ,超导体表面结构和电子态层状材料中的电荷密度等。另外原子力显微镜在摩擦学中的有许多应用，如纳M 摩擦、纳 M 润滑、纳M 磨损、纳 M 摩擦化学反应和机电纳M 表面加工等。在生物上，原子显微镜可以用来争论生物宏观分子，甚至活的生物组织。观看细胞等等。（4） 与传统的光学显微镜、电子显微镜相比，扫描探针显微镜的辨论本领主要受什么因素限制？传统的光学显微镜和电子显微镜存在
14、衍射极限，即只能辨论光波长或电子波长以上线度的结构。而扫描探针显微镜的辨论本领主要取决于：探针针尖的尺寸。微悬臂的弹性系数，弹性系数越低，AFM 越灵敏。悬臂的长度和激光光线的长度之比。探测器PSD 对光斑位置的灵敏度。对于辨论率确定的图像，扫描范畴越小，获得的表面形貌越精细。（5） 要对悬臂的弯曲量进行精确测量，除了在AFM 中使用光杠杆这个方法外，仍有哪些方法可以达到相同数量级的测量精度？可接受电学方法：隧道电流法依据隧道电流对电极间距离特殊敏捷的原理，将SIM 用的针尖置于微悬臂的背面作为探测器，通过针尖与微悬臂间产生的隧道电流的变化就可以检测由于原子间相互作用力令微悬臂产生的形变。电容
15、法通过测量微悬臂与一参考电极间的电容变化来检测微悬臂产生的形变。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结小组学习近代物理试验课程的心得体会成员一：邵孙国近代物理试验教案是高校生实践教案中的重要环节，它对于培养高校生的实践才能和创 新才能有着不行替代的作用。近代试验教案模式多样、内容新奇、方法灵敏，有时代特点。 同学依据试验教材上的步骤去做, 用心去预习之后才能完成试验。在确定程度上提高了同学的主动性与积极性, 激发了我们独立摸索的爱好和激情。这学期做的试验有脆弱振动的双光栅测量、超声光栅测声速试验、变温霍尔效应、巨磁阻效应试验、铁磁材料居里温度的测量、全息照相、纳 M微粒制备、 AFM
16、原子力显微镜技术及应用。在这一个学期的试验里，我明白了近代物理试验，是一门综合性和技术性很强的试验课程。它主要由近代物理学进展中，起过重要作用的著名试验，以及表达科学试验中，不行缺少的现代试验技术的试验组成。使我受到著名物理学家的物理学家，物理思想和探究精神的熏陶，激发了我的探究和创新精神。成员二：周柬辉为期一学期的高校物理试验就要画上一个圆满的句号了，回忆这一学期的学习，感觉特殊的充实，这个学期总共做了7 个探究性试验以及一个自主试验。包括了脆弱振动的双光栅测量，超声光栅测声速试验，变温霍尔效应，巨磁阻效应试验，铁磁材料居里温度的测量，全息照相，纳M微粒制备，以及自主试验AFM原子力显微镜技
17、术及应用。在本学期的试验课中，我学到了许多在平常的学习中学习不到的东西。基本每次试验都达到了试验目的要求。每次上试验课，老师都给我们仔细的讲解试验原理，轮到我们自己动手的时候，老师仍常常赐予我们帮忙，我真心的感谢他们对我们的付出。本学期的试验涉及面很广，光学、电磁学、力学都有。而且，每次试验都向我们呈现了一些很新奇的技术和仪器，让我带着古怪和期望做完了每一次试验。成员三：陈俊峰为期一学期的高校物理试验就要画上一个圆满的句号了，回忆这一学期的学习，感觉特殊的充实，这个学期总共做了7 个探究性试验以及一个自主试验。包括了脆弱振动的双光栅测量，超声光栅测声速试验，变温霍尔效应，巨磁阻效应试验，铁磁材
18、料居里温度的测量，全息照相，纳M微粒制备，以及自主试验AFM原子力显微镜技术及应用。物理学从本质上说就是一门试验的科学，它以严格的试验事实为基础，也不断的受到试验的检验，本学期的近代物理试验，向我们呈现了在物理学的进展中，人类积存的大量的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结试验方法以及制造出的各种精密神奇的仪器设备，让我们开阔了视野，增长了学问，在喟叹先人的聪慧才智之余，更激发了我们对未知领域的求知与探究。近代物理试验是我们进入高校后受到的又一次系统的试验方法与试验技能的培训，通过对试验现象的观看、分析和对物理量的测量，使我们进一步加深了对物理学原理的懂得， 培养与提高了我们的科学
19、试验才能以及科学试验素养。特殊是对于我们这样一批理科的学 生，仅有扎实的科学理论学问是远远不够的，科学试验是科学理论的源泉，是自然科学的根本，也是工程技术的基础。一个合格的工程技术人员除了要具备较为深广的理论学问，更要具有较强的实践体会，近代物理试验为我们供应了这样的一个平台，为我们动手才能的培养奠定了坚实的基础。近代物理试验使我们熟识到了一整套科学缜密的试验方法，对于我开发我们的智力， 培养我们分析解决实际问题的才能，有着特殊重要的意义，对于我们科学的规律思维的形成有着积极的现实意义。成员四：任寿良依据课程的支配我首次接触了8 个近代物理试验，包括量子性质的塞曼效应，有关于原子和电子碰撞的夫
20、兰克-赫兹试验，在原子物理方面仍有氢原子光谱的争论等等。虽然仅 仅 8 个但我从中学到了许多，也是自己在高校试验学习形式的一次飞跃，从大一的听老师讲解和指导、大二的依靠到大三近代物理试验的独立探究。我觉得一部分老师的教案方式特殊好。他们鼓励我们要自己解决问题，尽量不要依靠老师。一旦我们遇到困难但没人帮忙的时候，我们只有靠自己去摸索，在摸索的过程当中我们学会了课堂上老师不行能教的技巧，比如如何搜寻文献，如何查找英文学术单词，如何建立一个总体上的思路等等。虽然接受这样的方式做出成果比别人慢，但是收成更多。回想起来，为什么我的试验报告始终拿不来高分，为什么我试验内容完成的总是比人家少我一大部分时间都在不停的为自己的马虎大意买单。但是我想，我收成的确定比没有犯过错误的人多。低级的错误犯过了，以后再犯的可能性就小了许多。高级的错误犯过了， 自己懂的学问就比原先多了许多。我是在这些课程是体验到了物理学习的欢快，并不仅仅局限于课本理论上的学问，加深了理论上的懂得，更加帮忙于去懂得生活中的规律。试验的选择也很好玩，有些试验看上去觉得没什么，只有真正去做才能感受到其中的欢快。可编辑资料 - - - 欢迎下载