原子力显微镜实验报告 南京大学
原子力显微镜实验报告_南京大学
原子力显微镜一、实验目的1.了解原子力显微镜的工作原理。
2．初步掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法。
二、实验原理1.AFM（1）AFM的工作原理在AFM中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针。
当探针与样品接触时,由于它们原子之间存在极微弱的作用力(吸引或排斥力) ,引起微悬臂偏转。
扫描时控制这种作用力恒定,带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面,在垂直于样品表面方向上起伏运动, 因而会使反射光的位置改变而造成偏移量，通过光电检测系统(通常利用光学、电容或隧道电流方法) 对微悬臂的偏转进行扫描,测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化, 此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整。
将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。
AFM 的核心部件是力的传感器件, 包括微悬臂(Cantilever) 和固定于其一端的针尖。
根据物理学原理,施加到Cantilever 末端力的表达式为：F = KΔZΔZ 表示针尖相对于试样间的距离, K 为Can2tilever 的弹性系数，力的变化均可以通过Cantilever 被检测。
（2）AFM关键部位：AFM关键部份是力敏感元件和力敏感检测装置。
所以微悬臂和针尖是决定AFM灵敏度的核心。
为了能够准确地反映出样品表面与针尖之间微弱的相互作用力的变化,得到更真实的样品表面形貌,提高AFM 的灵敏度,微悬臂的设计通常要求满足下述条件: ①较低的力学弹性系数,使很小的力就可以产生可观测的位移; ②较高的力学共振频率; ③高的横向刚性,针尖与样品表面的摩擦不会使它发生弯曲; ④微悬臂长度尽可能短;⑤微悬臂带有能够通过光学、电容或隧道电流方法检测其动态位移的镜子或电极; ⑥针尖尽可能尖锐。
(3) AFM的针尖技术探针是AFM的核心部件。
如右图。
目前,一般的探针式表面形貌测量仪垂直分辨率已达到0.1nm ,因此足以检测出物质表面的微观形貌。
南京大学-原子力显微镜实验报告
原子力显微镜实验报告一．实验目的1．了解原子力显微镜的工作原理2．掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法二．实验原理1．AFM工作原理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。
在AFM 中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针。
当探针与样品接触时,由于它们原子之间存在极微弱的作用力(吸引或排斥力) ,引起微悬臂偏转。
扫描时控制这种作用力恒定,带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面,在垂直于样品表面方向上起伏运动, 因而会使反射光的位置改变而造成偏移量，通过光电检测系统(通常利用光学、电容或隧道电流方法) 对微悬臂的偏转进行扫描,测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化, 此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整。
将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。
AFM 的核心部件是力的传感器件, 包括微悬臂(Cantilever) 和固定于其一端的针尖。
根据物理学原理,施加到Cantilever末端力的表达式为：F K Z=∆∆表示针尖相对于试样间的距离, K为Cantilever的弹性系数，力的变化均可以通过Cantilever Z被检测。
AFM 有三种不同的工作模式：接触模式、非接触模式和共振模式或轻敲模式。
本实验采用接触模式：样品扫描时，针尖始终同样品“接触”，即针尖-样品距离在小于零点几个纳米的斥力区域。
此模式通常产生稳定、高分辨图像。
当沿着样品扫描时，由于表面的高低起伏使得针尖-样品距离发生变化，引起它们之间作用力的变化，从而使悬臂形变发生改变。
当激光束照射到微悬臂的背面，再反射到位置灵敏的光电检测器时，检测器不同象限会接收到同悬臂形变量成一定的比例关系的激光强度差值。
反馈回路根据检测器的信号与预置值的差值，不断调整针尖一样品距离，并且保持针尖一样品作用力不变，就可以得到表面形貌像。
2．粗糙度的概念表面粗糙度是反映零件表面微观几何形状误差的一个重要指标。
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原子力显微镜实验报告一．实验目的1．了解原子力显微镜的工作原理2．掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法二．实验原理1．AFM工作原理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。
在AFM 中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针。
当探针与样品接触时,由于它们原子之间存在极微弱的作用力(吸引或排斥力) ,引起微悬臂偏转。
扫描时控制这种作用力恒定,带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面,在垂直于样品表面方向上起伏运动, 因而会使反射光的位置改变而造成偏移量，通过光电检测系统(通常利用光学、电容或隧道电流方法) 对微悬臂的偏转进行扫描,测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化, 此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整。
将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。
AFM 的核心部件是力的传感器件, 包括微悬臂(Cantilever) 和固定于其一端的针尖。
根据物理学原理,施加到Cantilever末端力的表达式为：F K Z=∆∆表示针尖相对于试样间的距离, K为Cantilever的弹性系数，力的变化均可以通过Cantilever Z被检测。
AFM 有三种不同的工作模式：接触模式、非接触模式和共振模式或轻敲模式。
本实验采用接触模式：样品扫描时，针尖始终同样品“接触”，即针尖-样品距离在小于零点几个纳米的斥力区域。
此模式通常产生稳定、高分辨图像。
当沿着样品扫描时，由于表面的高低起伏使得针尖-样品距离发生变化，引起它们之间作用力的变化，从而使悬臂形变发生改变。
当激光束照射到微悬臂的背面，再反射到位置灵敏的光电检测器时，检测器不同象限会接收到同悬臂形变量成一定的比例关系的激光强度差值。
反馈回路根据检测器的信号与预置值的差值，不断调整针尖一样品距离，并且保持针尖一样品作用力不变，就可以得到表面形貌像。
2．粗糙度的概念表面粗糙度是反映零件表面微观几何形状误差的一个重要指标。
原子力显微镜 - 南京大学
（6）扫描完毕后，先按“停止扫描”按钮，再退出扫描界面。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钮退样品，直至下方平台伸出 左右。
（7）实验完毕，依次关闭：激光器-高压电源-控制机箱。
（8）在软件的图像处理界面完善图像，标注尺寸、记录相应的粗糙度统计结果、做三维效果图，得到粗糙度。
五、实验结果
本实验对A4纸表面进行了测量，测量结果如下：
粗糙度
扫描范围
图像大小
较小，即轮廓算术平均偏差变化较小，而 和 比较大， 表示微观不平度， 表示轮廓最大高度，结合图6，图7所示的A4纸的二维、三维形貌图，可以直观地看出，样品的起伏并不是很多，由此可见样品总体比较平滑。
四、实验内容
依次按下面步骤开启实验仪器：
（1）依次开启：电脑-控制机箱-高压电源-激光器。
（2）用粗调旋钮将样品逼近微探针至两者间距 。
（3）再用细调旋钮使样品逼近微探针：顺时针旋细调旋钮，直至光斑突然向 移动。
（4）缓慢地逆时针调节细调旋钮并观察机箱上反馈读数：反馈电压为1.6左右， 反馈信号约稳定在－100至－200之间（不单调增减即可），就可以开始扫描样品。
3、原子力显微镜有哪些应用？
答：原子力显微镜可以用于研究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，如纳米摩擦、纳米润滑、纳米磨损、纳米摩擦化学反应和机电纳米表面加工等。
在生物上，原子显微镜可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织，观察细胞等等。
南京大学-原子力显微镜实验报告
原子力显微镜实验报告一．实验目的1．了解原子力显微镜的工作原理2．掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法二．实验原理1．AFM工作原理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。
在AFM 中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针。
当探针与样品接触时,由于它们原子之间存在极微弱的作用力(吸引或排斥力) ,引起微悬臂偏转。
扫描时控制这种作用力恒定,带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面,在垂直于样品表面方向上起伏运动, 因而会使反射光的位置改变而造成偏移量，通过光电检测系统(通常利用光学、电容或隧道电流方法) 对微悬臂的偏转进行扫描,测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化, 此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整。
将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。
AFM 的核心部件是力的传感器件, 包括微悬臂(Cantilever) 和固定于其一端的针尖。
根据物理学原理,施加到Cantilever末端力的表达式为：F K Z=∆∆表示针尖相对于试样间的距离, K为Cantilever的弹性系数，力的变化均可以通过Cantilever Z被检测。
AFM 有三种不同的工作模式：接触模式、非接触模式和共振模式或轻敲模式。
本实验采用接触模式：样品扫描时，针尖始终同样品“接触”，即针尖-样品距离在小于零点几个纳米的斥力区域。
此模式通常产生稳定、高分辨图像。
当沿着样品扫描时，由于表面的高低起伏使得针尖-样品距离发生变化，引起它们之间作用力的变化，从而使悬臂形变发生改变。
当激光束照射到微悬臂的背面，再反射到位置灵敏的光电检测器时，检测器不同象限会接收到同悬臂形变量成一定的比例关系的激光强度差值。
反馈回路根据检测器的信号与预置值的差值，不断调整针尖一样品距离，并且保持针尖一样品作用力不变，就可以得到表面形貌像。
2．粗糙度的概念表面粗糙度是反映零件表面微观几何形状误差的一个重要指标。
原子力显微镜实验报告-南京大学
南京大学物理系实验报告题目实验10.5 原子力显微镜姓名朱瑛莺2014年3月14日学号111120230一、引言以光学显微镜、电子显微镜、扫描隧道显微镜为代表的一系列先进显微技术的出现与应用,为人类科技和社会进步做出了巨大贡献。
1986 年，IBM 公司的G.Binning 和斯坦福大学的C.F.Quate 及C. Gerber 合作发明的原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)[1]更是突出地显现了显微观测技术作为人类视觉感官功能的延伸与增强的重要性，它是在扫描隧道显微镜基础上为观察非导电物质经改进而发展起来的分子和原子级显微工具。
对比于现有的其它显微工具，原子力显微镜以其高分辨、制样简单、操作易行等特点而备受关注，并已在生命科学、材料科学等领域发挥了重大作用，极大地推动了纳米科技的发展，促使人类进入了纳米时代。
二、实验目的1.了解原子力显微镜的工作原理。
2.初步掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法。
三、实验原理1.AFM（1）AFM的工作原理在AFM中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针。
当探针与样品接触时,由于它们原子之间存在极微弱的作用力(吸引或排斥力) ,引起微悬臂偏转。
扫描时控制这种作用力恒定,带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面,在垂直于样品表面方向上起伏运动, 因而会使反射光的位置改变而造成偏移量，通过光电检测系统(通常利用光学、电容或隧道电流方法) 对微悬臂的偏转进行扫描,测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化, 此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整。
将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。
AFM 的核心部件是力的传感器件, 包括微悬臂(Cantilever) 和固定于其一端的针尖。
根据物理学原理,施加到Cantilever 末端力的表达式为：F = KΔZΔZ 表示针尖相对于试样间的距离, K 为Can2tilever 的弹性系数，力的变化均可以通过Cantilever 被检测。
原子力显微镜实验报告
原子力显微镜实验报告一，引言在当今的科学技术中，如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体，是一个重要的研究方向。
扫描隧道显微镜(STM) 使人们首次能够真正实时地观察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。
STM要求样品表面能够导电，从而使得STM只能直接观察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微弱的相互作用力(原子力) 来获得物质表面形貌的信息。
因此，AFM除导电样品外，还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,其应用领域将更为广阔。
除物理，化学生物等领域外，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米线上进行成像和分析。
二，实验目的1了解原子力显微镜的工作原理2掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法三，原子力显微镜结构及工作原理（1） AFM的工作原理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。
主要工作原理如下图：在AFM中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针。
当探针与样品接触时,由于它们原子之间存在极微弱的作用力(吸引或排斥力) ,引起微悬臂偏转。
扫描时控制这种作用力恒定,带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面,在垂直于样品表面方向上起伏运动, 因而会使反射光的位置改变而造成偏移量，通过光电检测系统(通常利用光学、电容或隧道电流方法) 对微悬臂的偏转进行扫描,测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化, 此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整。
将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。
AFM 的核心部件是力的传感器件, 包括微悬臂(Cantilever) 和固定于其一端的针尖。
原子力显微镜实验报告_南京大学
原子力显微镜一、实验目的1.了解原子力显微镜的工作原理。
2．初步掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法。
二、实验原理1.AFM（1）AFM的工作原理在AFM中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针。
当探针与样品接触时,由于它们原子之间存在极微弱的作用力(吸引或排斥力) ,引起微悬臂偏转。
扫描时控制这种作用力恒定,带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面,在垂直于样品表面方向上起伏运动, 因而会使反射光的位置改变而造成偏移量，通过光电检测系统(通常利用光学、电容或隧道电流方法) 对微悬臂的偏转进行扫描,测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化, 此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整。
将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。
AFM 的核心部件是力的传感器件, 包括微悬臂(Cantilever) 和固定于其一端的针尖。
根据物理学原理,施加到Cantilever 末端力的表达式为：F = KΔZΔZ 表示针尖相对于试样间的距离, K 为Can2tilever 的弹性系数，力的变化均可以通过Cantilever 被检测。
（2）AFM关键部位：AFM关键部份是力敏感元件和力敏感检测装置。
所以微悬臂和针尖是决定AFM灵敏度的核心。
为了能够准确地反映出样品表面与针尖之间微弱的相互作用力的变化,得到更真实的样品表面形貌,提高AFM 的灵敏度,微悬臂的设计通常要求满足下述条件: ①较低的力学弹性系数,使很小的力就可以产生可观测的位移; ②较高的力学共振频率; ③高的横向刚性,针尖与样品表面的摩擦不会使它发生弯曲; ④微悬臂长度尽可能短;⑤微悬臂带有能够通过光学、电容或隧道电流方法检测其动态位移的镜子或电极; ⑥针尖尽可能尖锐。
(3) AFM的针尖技术探针是AFM的核心部件。
如右图。
目前,一般的探针式表面形貌测量仪垂直分辨率已达到0.1nm ,因此足以检测出物质表面的微观形貌。
原子力显微镜-实验报告
原子力显微镜姓名：董佳婧学号：141120021 院系：物理学院摘要：本文阐述了原子力显微镜的结构、原理及应用，观察了样品的表面形貌，最后对本实验进行了讨论。
关键词：原子力显微镜，导电ITO，表面粗糙度1. 引言在当今的科学技术中，如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体，是一个重要的研究方向。
扫描隧道显微镜(STM) 使人们首次能够真正实时地观察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。
STM要求样品表面能够导电，从而使得STM只能直接观察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微弱的相互作用力(原子力) 来获得物质表面形貌的信息。
因此，AFM除导电样品外，还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,其应用领域将更为广阔。
2. 原子力显微镜结构及工作原理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1所示。
图1（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100～500μm长和大约500nm～5μm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。
图2（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，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，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控制器作信号处理。
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进行计算，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，并驱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一定的作用力。
原子力显微镜实验报告
原子力显微镜实验报告一、实验目的。
本实验旨在通过使用原子力显微镜，观察并研究样品表面的微观结构和表面形貌，以及了解原子力显微镜的工作原理和操作方法。
二、实验原理。
原子力显微镜是一种利用原子间相互作用力来测量样品表面形貌和性质的显微镜。
其工作原理是通过探针与样品表面的相互作用力来实现对样品表面的高分辨率成像。
原子力显微镜可分为接触式原子力显微镜和非接触式原子力显微镜两种类型。
三、实验步骤。
1. 打开原子力显微镜，进行预热和调试，确保仪器处于正常工作状态；2. 准备样品，将样品固定在样品台上，并调整样品位置，使其处于最佳观察位置；3. 调节原子力显微镜的参数，包括扫描速度、扫描范围、探针的高度等；4. 开始扫描样品表面，观察样品表面的微观结构和形貌；5. 根据实验要求，对样品进行不同区域的扫描和观察；6. 完成实验后，关闭原子力显微镜，并进行数据保存和分析。
四、实验结果与分析。
通过原子力显微镜观察，我们成功获取了样品表面的高分辨率图像，并对样品表面的微观结构和形貌有了深入的了解。
我们发现样品表面存在一定的粗糙度和微观凹凸结构，这些结构对样品的性质和功能具有重要影响。
通过对样品不同区域的扫描和比较，我们还发现了样品表面的局部差异，这为我们进一步研究样品性质提供了重要参考。
五、实验总结。
本实验通过使用原子力显微镜，成功观察并研究了样品表面的微观结构和形貌，加深了我们对样品性质和功能的认识。
同时，我们也对原子力显微镜的工作原理和操作方法有了更深入的了解。
通过本次实验，我们不仅提高了实验操作和数据分析的能力，也为今后的科研工作打下了坚实的基础。
六、致谢。
在本次实验中，感谢指导老师对我们的耐心指导和帮助，也感谢实验室的同学们在实验过程中的合作和支持。
同时也要感谢实验室提供的设备和条件，为我们顺利完成实验提供了保障。
以上就是本次原子力显微镜实验的实验报告，谢谢阅读。
原子力显微镜实验报告
原子力显微镜实验报告一，引言在当今的科学技术中，如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体，是一个重要的研究方向。
扫描隧道显微镜(STM)使人们首次能够真正实时地观察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。
STM要求样品表面能够导电，从而使得STM只能直接观察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)O AFM是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力(原子力)来获得物质表面形貌的信息。
因此，AFM除导电样品外，还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, 其应用领域将更为广阔。
除物理，化学生物等领域外，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 ffi AFM⅛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米线上进行成像和分析。
，实验目的1了解原子力显微镜的工作原理2掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法，原子力显微镜结构及工作原理(1)AFM的工作原理在原子力显微镜的系统中, 主可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统要工作原理如下图：原子力显微镜的工作原理图在AFM 中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针。
当探针与样品接触时，由 于它们原子之间存在极微弱的作用力(吸引或排斥力)，引起微悬臂偏转。
扫描时控制这种作 用力恒定,带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面，在垂直于样品表面方向上起伏运 动，因而会使反射光的位置改变而造成偏移量，通过光电检测系统 (通常利用光学、电容或隧道电流方法)对微悬臂的偏转进行扫描，测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，此时激光检 测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整。
将信号放大 与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。
AFM 的核心部件是力的传感器件,包括微悬臂(Cantilever)和固定于其一端的针尖。
原子力显微镜 实验报告
原子力显微镜摘要：本文阐述了原子力显微镜的结构、原理及应用，观察了样品的表面形貌，最后对本实验进行了讨论。
关键词：原子力显微镜，导电ITO，表面粗糙度1. 引言在当今的科学技术中，如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体，是一个重要的研究方向。
扫描隧道显微镜(STM) 使人们首次能够真正实时地观察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。
STM要求样品表面能够导电，从而使得STM只能直接观察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微弱的相互作用力(原子力) 来获得物质表面形貌的信息。
因此，AFM除导电样品外，还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,其应用领域将更为广阔。
2. 原子力显微镜结构及工作原理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1所示。
图1（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100～500μm长和大约500nm～5μm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。
图2（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，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，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 控制器作信号处理。
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进行计算，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，并驱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一定的作用力。
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南京大学物理系实验报告题目实验10.5 原子力显微镜姓名朱瑛莺2014年3月14日学号111120230一、引言以光学显微镜、电子显微镜、扫描隧道显微镜为代表的一系列先进显微技术的出现与应用,为人类科技和社会进步做出了巨大贡献。
1986 年，IBM 公司的G.Binning 和斯坦福大学的 C.F.Quate 及 C. Gerber 合作发明的原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)[1]更是突出地显现了显微观测技术作为人类视觉感官功能的延伸与增强的重要性，它是在扫描隧道显微镜基础上为观察非导电物质经改进而发展起来的分子和原子级显微工具。
对比于现有的其它显微工具，原子力显微镜以其高分辨、制样简单、操作易行等特点而备受关注，并已在生命科学、材料科学等领域发挥了重大作用，极大地推动了纳米科技的发展，促使人类进入了纳米时代。
二、实验目的1.了解原子力显微镜的工作原理。
2.初步掌握用原子力显微镜进行表面观测的方法。
三、实验原理1.AFM（1）AFM的工作原理在AFM中用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针。
当探针与样品接触时,由于它们原子之间存在极微弱的作用力(吸引或排斥力) ,引起微悬臂偏转。
扫描时控制这种作用力恒定,带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面,在垂直于样品表面方向上起伏运动, 因而会使反射光的位置改变而造成偏移量，通过光电检测系统(通常利用光学、电容或隧道电流方法) 对微悬臂的偏转进行扫描,测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化, 此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整。
将信号放大与转换从而得到样品表面原子级的三维立体形貌图像。
AFM 的核心部件是力的传感器件, 包括微悬臂(Cantilever) 和固定于其一端的针尖。
根据物理学原理,施加到Cantilever 末端力的表达式为：F = KΔZΔZ 表示针尖相对于试样间的距离, K 为Can2tilever 的弹性系数，力的变化均可以通过Cantilever 被检测。
（2）AFM关键部位：AFM关键部份是力敏感元件和力敏感检测装置。
所以微悬臂和针尖是决定AFM灵敏度的核心。
为了能够准确地反映出样品表面与针尖之间微弱的相互作用力的变化,得到更真实的样品表面形貌,提高AFM 的灵敏度,微悬臂的设计通常要求满足下述条件: ①较低的力学弹性系数,使很小的力就可以产生可观测的位移; ②较高的力学共振频率; ③高的横向刚性,针尖与样品表面的摩擦不会使它发生弯曲; ④微悬臂长度尽可能短;⑤微悬臂带有能够通过光学、电容或隧道电流方法检测其动态位移的镜子或电极; ⑥针尖尽可能尖锐。
(3) AFM的针尖技术探针是AFM的核心部件。
如右图。
目前,一般的探针式表面形貌测量仪垂直分辨率已达到0.1 nm ,因此足以检测出物质表面的微观形貌。
普通的AFM 探针材料是硅、氧化硅或氮化硅(Si3N4 ) ,其最小曲率半径可达10 nm。
由于可能存在“扩宽效应”,针尖技术的发展在AFM中非常重要。
探针针尖的几何物理特性制约着针尖的敏感性及样品图像的空间分辨率。
因此针尖技术的发展有赖于对针尖进行能动的、功能化的分子水平的设计。
只有设计出更尖锐、更功能化的探针, 改善AFM 的力调制成像(force modulation imaging) 技术和相位成像(phase imaging)技术的成像环境,同时改进被测样品的制备方法,才能真正地提高样品表面形貌图像的质量。
(4) AFM的工作模式AFM 有三种不同的工作模式: 接触模式( contact mode) 、非接触模式(noncontact mode) 和共振模式或轻敲模式(Tapping Mode) 。
①接触模式接触模式包括恒力模式(constant2force mode) 和恒高(constant2height mode) 。
在恒力模式中过反馈线圈调节微悬臂的偏转程度不变,从而保证样品与针尖之间的作用力恒定,当沿x 、y 方向扫描时,记录Z 方向上扫描器的移动情况来得到样品的表面轮廓形貌图像。
这种模式由于可以通过改变样品的上下高度来调节针尖与样品表面之间的距离,这样样品的高度值较准确,适用于物质的表面分析。
在恒高模式中,保持样品与针尖的相对高度不变,直接测量出微悬臂的偏转情况,即扫描器在z 方向上的移动情况来获得图像。
这种模式对样品高度的变化较为敏感,可实现样品的快速扫描,适用于分子、原子的图像的观察。
接触模式的特点是探针与样品表面紧密接触并在表面上滑动。
针尖与样品之间的相互作用力是两者相接触原子间的排斥力,约为10 - 8 ～10 - 11N。
接触模式通常就是靠这种排斥力来获得稳定、高分辨样品表面形貌图像。
但由于针尖在样品表面上滑动及样品表面与针尖的粘附力,可能使得针尖受到损害,样品产生变形, 故对不易变形的低弹性样品存在缺点。
②非接触模式非接触模式是探针针尖始终不与样品表面接触,在样品表面上方5～20 nm 距离内扫描。
针尖与样品之间的距离是通过保持微悬臂共振频率或振幅恒定来控制的。
在这种模式中,样品与针尖之间的相互作用力是吸引力———范德华力。
由于吸引力小于排斥力,故灵敏度比接触模式高,但分辨率比接触式低。
非接触模式不适用于在液体中成像。
③轻敲模式在轻敲模式中,通过调制压电陶瓷驱动器使带针尖的微悬臂以某一高频的共振频率和0。
01～1 nm 的振幅在Z 方向上共振,而微悬臂的共振频率可通过氟化橡胶减振器来改变。
同时反馈系统通过调整样品与针尖间距来控制微悬臂振幅与相位,记录样品的上下移动情况,即在Z 方向上扫描器的移动情况来获得图像。
由于微悬臂的高频振动,使得针尖与样品之间频繁接触的时间相当短,针尖与样品可以接触,也可以不接触,且有足够的振幅来克服样品与针尖之间的粘附力。
因此适用于柔软、易脆和粘附性较强的样品,且不对它们产生破坏。
这种模式在高分子聚合物的结构研究和生物大分子的结构研究中应用广泛。
(5) AFM中针尖与样品之间的作用力AFM检测的是微悬臂的偏移量,而此偏移量取决于样品与探针之间的相互作用力。
其相互作用力主要是针尖最后一个原子和样品表面附近最后一个原子之间的作用力。
当探针与样品之间的距离d 较大(大于5 nm) 时,它们之间的相互作用力表现为范德华力(Van der Waals forces) 。
可假设针尖是球状的,样品表面是平面的,则范德华力随1Pd2 变化。
如果探针与样品表面相接触或它们之间的间距d 小于0。
3 nm ,则探针与样品之间的力表现为排斥力(Pauli exclusion forces) 。
这种排斥力与d13 成反比变化,比范德华力随d 的变化大得多。
探针与样品之间的相互作用力约为10 - 6 ～10 - 9N ,在如此小的力作用下,探针可以探测原子,而不损坏样品表面的结构细节。
简而言之，原子力显微镜的原理是：将一个对微弱力及其敏感的长为100-200微米的Si或Si3N4材料的微悬臂一端固定，另一端有一个针尖，针尖与样品表面轻轻接触，针尖尖端原子与样品表面原子间的及其微弱的作用力，使微悬臂发生弯曲，通过检测微悬臂背面反射出的红色激光光点在一个光学检测器上的位置的变化可以转换成力的变化（被反射激光点位置变化或是微悬臂梁弯曲的变化与力的变化成正比），通过控制针尖在扫描过程中作用力的恒定同时测量针尖纵向的位移量，从而最终还原出样品表面的形貌像。
四、实验步骤1、微探针的安装（已安装就绪）。
激光束及光斑的调节（已就绪）。
2、依次开启：电脑、控制机箱、高压电源、激光器。
2、安装样品。
松开螺丝，将样品卡进去，然后旋紧，注意不能碰到探针。
3、用粗调旋钮将样品逼近探针，相距小于1mm。
4、再用细挑旋钮使样品缓慢逼近探针，直到光斑突然移动。
说明样品与针尖的距离已经足够近到发生相互作用力。
5、缓慢回调细调旋钮并观察机箱读数至PSD信号约为1.6V，反馈信号约为-100到-200之间。
6、读数稳定之后，打开电脑上的扫描软件开始扫描。
存储扫下的第三张图片，并对其进行一定分析。
7、操作完毕时，细调反转到底，然后反转粗调退出样品。
按照打开的反顺序依次关闭所有仪器。
注意事项：1、操作中皆不可碰到探针，以免探针损坏。
在操作过程中也不要再看PSD光路，以免使光路不再对准。
2、调整型号到一定数值，是为了在扫描样品的时候探针正常工作，使扫描过程中信号也保持在一定范围内。
3、取第三张图是因为前两张因为不稳定不是很好，第三张左右开始稳定。
五、实验数据及分析1.A4纸片的二维表面形貌2、A4纸片的三维表面形貌3、A4纸片的粗糙度粗糙度 Ra: 24.9 nm ; Ry: 235.4 nm ; Rz: 235.4 nm扫描范围 X: 4000 nm ; Y: 4000 nm图像大小 X: 400 pixel ; Y: 400 pixel4、分析数据通过对比同组同学做的其他样品的实验，如铜片和玻璃片。
A4纸片的表面起伏褶皱和粗糙度明显提高。
符合宏观上的观察结果。
对于表面粗糙度评定系数，附录有如下说明：1、 轮廓算术平均偏差Ra在取样长度L 内，轮廓偏转距绝对值的算术平均值。
11R ni i a y L ==∑2、 微观不平度十点高度在取样长度内五个最大的轮廓峰高的平均值与五个最大的轮廓谷深的平均值之和。
5511R 5pi vi i i z y y ==+=∑∑3．轮廓最大高度在取样长度内，轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离。
max max R y p v y y =+从图中及数据结果不难看出：Ra 变化很小，即轮廓算术平均偏差变化小，而 Ry 和 Rz 变化比较大，Ry 表示微观不平度，Rz 表示轮廓最大高度。
表示A4纸张表面轮廓虽然起伏比较大，有200nm 左右，但是起伏的算术平均值较小，起伏比较均匀，在一定范围内上下波动比较平均。
六、 思考题1、AFM 探测到的原子力的由哪两种主要成分组成？一种是分子间的吸引力即范德瓦耳斯作用力，第二种是电子云重叠而引起的排斥相互作用。
2、怎样适用男公关AFM 和CCD 光学显微镜，才能较好的保护探针？在实验过程中，特别是取放样品，调整粗调旋钮和细调旋钮的时候，不能碰到探针。
还有在调整细调旋钮时，注意观察PSD 信号，信号变动就立即停止靠近。
扫描过程中，尽量不要产生外界扰动，以防探针撞上样品。
3、原子力显微镜有哪些应用？STM 显微镜仅适用于与导体和半导体，而原子力显微镜AFM 适用面更广。
可以用于研究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。
通过原子力显微镜对于材料表面形貌成像时，微悬臂探针与样品之间的作用力变化可反映样品表面的三维形貌。