AFM原子力显微镜技术及应用实验报告
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AFM实验报告
原子力显微镜的应用和进展摘要：从原子力显微镜诞生以来，由于其在表面观测上的高分辨率以及对表面的要求较低，这项技术被广泛的应用于科研的各个领域，极大的促进了各学科的发展。
由于这项技术的重要性，在其诞生之后就一直被改进以满足不同学科不同场合的需求。
本文从具体原子力实验出发概述原子力显微镜的应用以及改进方案。
关键词：原子力显微镜 压电微悬臂 敲击式AFM 探针功能化1 引言1996年Binning 及其合作者在扫描隧道显微镜的基础上发明了AFM ，它是利用原子、分子间的相互作用力(主要范德瓦尔斯力，价键力，表面张力，万有引力，以及静电力和磁力等)来观察物体表面微观形貌的新型实验技术。
在这项表面观测技术发明以来已经被各学科所采纳、改进，以适应不同学科不同工作环境的需求。
比如在生物及医学研究中要求不能对活体细胞产生太大影响，要求力更小以免对膜有破坏作用，同时也要求原子力显微镜的扫描更快，更方便以适应更多学科对它的需求，最好能实现更好的自动化，同时最好能应用于不同的环境。
但现在而言原子力显微镜对环境的要求还是很高的，所以对原子力显微镜的改进也是件十分有意义的工作。
现在有的一个想法是对原子力显微镜的微悬臂进行改造，用压电微悬臂[4]替代，这样直接利用压电微悬臂收集数据以替代激光放大。
另外，将原子力显微镜应用于生物和医学的研究，也提出了对探针进行功能化[5]的要求。
2 原子力实验简介2.1 实验原理AFM 探针和测试样品表面原子相互靠近时会产生原子间相互作用力，这种力使连接探针的微悬臂发生形变，而通过激光检测器和反馈系统调整样品在z 轴方向的位置，使得探针和样品间的作用力保持恒定，通过测量检测信号对应样品的扫描位置的变化，就可以得到测试样品表面形貌特征。
通常原子力显微镜AFM 有几种运行模式：在斥力或接触模式中，力的量级为1∽10ev/A （或910-∽810-N ）；在引力或非接触模式中，范德瓦耳斯力、交换力、静电力或磁力被检测。
原子力显微镜的操作与应用
原子力显微镜的操作与应用原子力显微镜（AFM）是一种通过探针扫描样品表面，以纳米分辨率观察表面形貌、力学性质和表面相互作用的测量工具。
作为一种新型的表面分析技术，AFM已经在材料科学、生物医药、化学能源等领域得到广泛应用。
本文将介绍AFM的操作原理、样品准备、扫描模式、数据分析以及其在材料科学、生物医药和化学能源中的应用。
1. 操作原理AFM的扫描探针是一个非常尖锐的针，属于微型机械系统（MEMS）的一种。
在扫描过程中，探针靠近样品表面，通过微弯度反馈机制控制探针与样品表面的距离。
探针探测到位移距离，反馈到一个像扫描控制器的正反馈回路中，使探针头的位置保持在样品表面的一定距离。
探针头靠近样品表面，会产生拉伸或压缩力，使探针头的位置发生变化。
通过测量这种力，可以计算出样品表面形貌和力学性质。
2. 样品准备在对样品进行扫描之前，需要将样品制备好。
AFM适用于实验室材料样品和生物样品。
在材料制备上，通常需要将样品剪裁成小块，使用研磨机或抛光机对样品表面平滑处理，使样品表面达到平整光滑的状态。
在生物样品制备上，则需要使用化学、生物学方法或者组织切片技术获得样品。
3. 扫描模式AFM有多种工作模式，如接触模式、非接触模式、振荡模式、磁力显微镜模式等。
在接触模式下，探针头与样品表面接触，通过扫描样品表面获得样品形貌。
非接触模式下，探针头悬浮在样品表面上，通过调整与样品表面的距离来获取样品的表面形貌。
振荡模式下探针头震动，测量样品的质量和弹性性质。
磁力显微镜模式下，则利用样品表面局部的磁场，通过探测磁场的变化，来观察样品表面物理特性。
4. 数据分析扫描得到的数据需要进行分析处理。
一般常用的分析手段有图像处理和草图处理。
图像处理包括基线校正、噪声滤波、平滑滤波、粗糙度分析、晶体结构等，可用于减少噪声和消除不确定性。
草图处理则可以进行材料性质计算、力学力学分析、电子结构分析、表面反应等。
利用这些分析手段，可以对得到的图像进行处理，从而获得更加精确和准确的结果。
原子力显微镜
6-5 原子力显微镜【实验简介】扫描隧道显微镜工作时要检测针尖和样品之间隧道电流的变化，因此它只能用于导体和半导体的研究。
而在研究非导电材料时必须在其表面覆盖一层导电膜。
导电膜的存在往往掩盖了样品表面结构的细节。
为了弥补扫描隧道显微镜的这一不足，1986年宾尼希等发明了第一台原子力显微镜AFM（atomic force microscopy）。
原子力显微镜不仅可以在原子水平测量各种表面形貌，而且可用于表面弹性、塑性、硬度、摩擦力等性质的研究。
【实验目的】1.学习和了解原子力显微镜的结构和原理；2.学习扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观察样品的表面形貌；【实验原理】1.原子力显微镜与STM不同，原子力显微镜测量的是针尖与样品表面之间的力。
将微小针尖放在悬臂的一端，当针尖与样品间距小到一定程度时，由于针尖与样品的相互作用（引力、斥力等），使悬臂发生弯曲形变。
如图使样品与针尖之间作扫描运动，测量悬臂的形变位移，即可得到图6-5-1 原子力显微镜示意图样品表面的形貌信息。
由于微悬臂的位移很小，对它的测量是一个关键技术。
最早发明者宾尼希等人利用隧道电流对间距的敏感性来测量悬臂的位移，但由于隧道效应对悬臂的功函数（由于污染等原因）变化同样敏感，所以稳定性较差。
现在大多数均采用光学方法或电容检测法。
本实验采用光图6-5-2 原子力显微镜光路图束偏转检测方法，如图2所示。
激光束经微悬臂背面反射、再经平面反射镜至四相限接受器，当微悬臂弯曲时激光束在接受器上的位置将发生移动，由四象限接受器检测出悬臂弯曲位移，便可得到样品的表面形貌。
2.轻敲模式成象技术常规的接触模式扫描由于针尖对样品的作用力较大，会在软样品表面形成划痕，或使样品变形，对粉体颗粒样品，会使样品移动，或将样品碎片吸附在针尖上，分辨率较差，而理想的非接触模式由于工作程短，又是难于有效实施的。
轻敲扫描模式的特点是在扫描过程中由压电驱动器将微悬臂激发到共振振荡状态，针尖随着悬臂的振荡，极其短暂地与样品表面进行接触，同时由于针尖与样品的接触时间非常短，因此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失，可以清晰观测完好的表面结构而不受表面高度起伏的影响。
药物分析中的原子力显微镜技术研究
药物分析中的原子力显微镜技术研究随着现代科技的不断发展，人类对于药物的研究也变得越来越深入。
药物分析是药物研究的重要环节之一，而原子力显微镜技术在药物分析中的应用日益广泛。
本文将介绍原子力显微镜技术的基本原理、在药物分析中的重要性以及其在药物研究领域的前景。
一、原子力显微镜技术的基本原理原子力显微镜技术，简称AFM（Atomic Force Microscopy），是一种通过探测器和样品之间的相互作用力来进行成像的高分辨率显微技术。
相比于传统的光学显微镜，AFM可以实现纳米级甚至原子级的分辨率，能够对样品表面进行原子尺度的观测和力学性质的测量。
在原子力显微镜技术中，利用微小晶体针尖与样品表面之间的相互作用力进行成像和测量。
当针尖接触到样品表面时，由于相互作用力的影响，针尖的位置会发生微小的变化，这种变化被称为“探针几何变形”。
通过检测探针的位移，可以获得样品表面的拓扑信息。
二、药物分析中原子力显微镜技术的重要性1. 成像分辨率高：原子力显微镜技术可以实现纳米级别的成像分辨率，能够揭示药物样品表面的微观结构和形貌等信息。
这对于药物的表征和分析具有重要意义，可以帮助研究人员更好地了解药物的形态结构，从而指导药物设计和优化。
2. 表面性质研究：原子力显微镜技术还可以用于研究药物样品表面的力学和电学性质。
通过测量样品表面的硬度、弹性等力学性质，可以评估药物的质量和稳定性。
同时，对于一些电子药物或具有特殊电学性质的药物，原子力显微镜技术还可以提供相关的表面电学性质。
3. 相互作用力的测量：在药物分析中，相互作用力的测量是非常重要的。
原子力显微镜技术可以实时监测样品表面与探针之间的相互作用力，包括静电力、范德华力、化学键力等。
通过对相互作用力的研究，可以深入了解药物分子之间的相互作用机理，为药物研发和设计提供有力的支持。
三、原子力显微镜技术在药物研究领域的前景1. 药物晶体结构研究：药物晶体结构对于药物的稳定性和溶解性等性质具有重要影响。
AFM原子力显微镜技术及应用实验报告
原子力显微技术观测薄膜形貌姓名：吴涵颖学号：5404312065 班级：工业工程122一、实验目的：Ⅰ、学习和了解AFM的结构和原理。
Ⅱ、掌握AFM的操作和调试过程，并以之来观察薄膜表面的形貌。
Ⅲ、学习用计算机软件来处理原始数据图像。
二、实验原理简析：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轻微变形，这样，微悬臂的轻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。
（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。
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。
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
原子力显微镜实验报告实验目的：通过使用原子力显微镜（AFM），观察和探究不同材料表面的微观结构和特性，并了解原子力显微镜的工作原理和操作方法。
实验装置：1. 原子力显微镜（AFM）主机2. 电脑及相关软件3. 标准样品（金刚石、硅片等）4. 探针实验步骤：1. 准备工作：在实验开始之前，先对原子力显微镜进行充分的检查和准备。
确保设备的稳定性和可靠性。
2. 样品制备：准备不同材料的标准样品，包括金刚石、硅片等。
确保样品表面平整且无尘、无杂质。
3. 样品固定：将标准样品固定在样品支架上，并调整使其水平。
4. 调整参数：打开原子力显微镜软件，根据样品的特性调整相应的参数，包括扫描速度、采集点数等。
5. 探针连接：将探针连接到探针支架上，并轻轻放置在样品表面上。
6. 扫描图像：在计算机上选择扫描模式，并开始扫描样品表面。
观察扫描图像，利用软件工具进行放大、旋转等操作。
7. 数据分析：根据扫描图像进行数据分析，对不同材料的表面结构和特性进行解读和比较。
8. 实验总结：总结实验中观察到的现象和得到的结果。
探讨原子力显微镜在材料科学研究中的应用前景。
实验结果：实验中，我们成功使用原子力显微镜观察了金刚石和硅片的表面结构。
金刚石表面呈现出非常光滑的特性，可以清晰地观察到原子排列的规则性；而硅片表面由于其成分及制备工艺的不同，呈现出不同的纹理和形貌。
通过原子力显微镜的扫描图像，我们可以对不同材料的表面微观结构有深入的了解，并通过数据分析获得更多的材料性质信息。
实验总结：原子力显微镜作为一种重要的表面分析工具，在材料科学研究中起到了至关重要的作用。
它可以直接观察和探测材料表面的微观结构和特性，为材料设计和制备提供有力支持。
通过本次实验，我们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，并且也能够熟练运用该技术进行样品表面扫描和数据分析。
原子力显微镜在材料科学领域的应用前景广阔，将对我们的科学研究和工程实践产生积极的影响。
纳米尺度力学测量实验报告
纳米尺度力学测量实验报告实验一：AFM纳米尺度力学测量在本实验中，我们将使用原子力显微镜(AFM)来进行纳米尺度的力学测量。
AFM是一种高分辨率的显微镜，能够对物体表面进行原子级的探测和成像。
利用AFM的探针可以实现对纳米尺度材料的力学性质的测量，包括硬度、弹性模量等参数。
本实验旨在通过AFM技术，了解纳米尺度力学测量的原理及方法。
实验材料和仪器在本实验中，我们使用了一块硅晶片作为样品，并使用了一台商用的AFM仪器。
AFM仪器由扫描探针、扫描台和数据采集系统构成。
扫描探针是AFM的核心部件，负责在样品表面进行悬空扫描，利用探针与样品之间的相互作用力来测量样品的表面形貌和力学性质。
实验步骤1. 准备样品：将硅晶片固定在扫描台上，保证样品表面平整干净。
2. 启动AFM仪器：打开AFM仪器的电源，调节探针至合适的位置和角度。
3. 进行扫描：通过AFM仪器控制软件设置扫描参数，启动扫描过程。
探针在样品表面进行悬空扫描，记录表面拓扑信息。
4. 力谱测量：选择合适的力谱测量模式，对样品进行力学性质的测量。
根据探针在样品表面的变形情况，计算出样品在纳米尺度下的力学参数。
实验结果与分析通过AFM测量，我们得到了硅晶片在纳米尺度下的力学性质数据。
根据力谱测量曲线，我们可以得到样品表面的硬度、弹性模量等参数。
实验结果表明，在纳米尺度下，硅晶片表现出较高的硬度和弹性模量，这与其微观结构和化学成分密切相关。
实验结论本实验利用AFM技术对硅晶片进行了纳米尺度的力学测量，得到了样品在纳米尺度下的力学性质参数。
通过实验，我们进一步认识了纳米尺度下物体的力学特性，为纳米尺度力学研究提供了重要的实验数据。
希望通过本实验，同学们能够加深对纳米尺度力学测量的理解，为未来的科学研究奠定基础。
实验感想本实验是一次很有趣的实践活动，通过自己动手进行AFM测量，深刻感受到了纳米尺度下物体的微观特性。
在实验过程中，遇到了一些困难和挑战，但通过不断的实践和思考，最终取得了令人满意的实验结果。
AFM原子力显微镜技术及应用实验报告
AFM原子力显微镜技术及应用实验报告实验报告：AFM原子力显微镜技术及应用一、引言原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种基于原子力相互作用的显微镜技术，可以对样品表面进行高分辨率的观察和测量。
AFM与传统的光学显微镜和电子显微镜相比，具有更高的分辨率和更广泛的应用领域。
本实验旨在通过搭建AFM系统并对其进行操作，了解AFM的基本原理及应用。
二、仪器与实验方法1.仪器：AFM主机、扫描头、样品台、计算机。
2.实验方法：（1）接通仪器电源，打开电脑并运行相应控制软件。
（2）安装样品到样品台上，并将样品台安装到扫描头上。
（3）调节扫描头的位置，使其与样品接触。
（4）在软件界面上选择扫描模式（常规模式、近场模式等）和扫描区域大小。
（5）开始扫描，观察样品表面的结构和形貌。
（6）根据需要对样品进行更高级别的测量和分析。
三、实验结果与分析在实验中，我们成功搭建了AFM系统，并对金属导电薄膜样品进行了观察和测量。
通过观察AFM扫描的图像，我们可以清晰地看到样品表面的结构和形貌。
AFM的工作原理是基于原子力相互作用，通过在微尖和样品表面之间施加压力，测量微尖的弯曲程度，并通过这种变化来计算出样品表面的结构。
AFM可以达到纳米级的分辨率，因此在纳米材料和生物样品的观察中具有广泛的应用。
此外，AFM还有许多其他的应用，例如：1.表面形貌观察：AFM可以观察和测量各种材料的表面形貌，包括晶体、纳米粒子、生物大分子等。
2.材料力学性质研究：AFM可以通过在微尖和样品之间施加力来测量样品的力学性质，如硬度、弹性和粘性。
3.薄膜厚度测量：通过测量在薄膜表面的高度变化，可以准确地测量出薄膜的厚度。
4.均匀性分析：通过AFM可以检测材料表面的均匀性，并帮助改进制备工艺。
5.生物学研究：AFM可以用于观察生物大分子的形貌和结构，甚至可以测量细胞的力学性质。
四、结论通过本次实验，我们成功地搭建了AFM系统，并了解了它的基本原理及应用。
原子力显微镜在材料表征中的研究及应用
原子力显微镜在材料表征中的研究及应用原子力显微镜（AFM）是一种实时在原子尺度下进行表征的技术，因此能够在材料表征中起到至关重要的作用。
通过使用AFM，人们能够研究材料的表面形貌、力学性质和原子结构信息。
下面将深入探讨AFM在材料表征中的研究及应用。
一、AFM的原理和技术应用AFM是一种非接触性的原子尺度下的表面形貌检测技术。
它基于扫描探针映射被测样品表面的拓扑结构，并通过对触针所受到的组成力进行检测和测量，显示出样品表面的形貌和结构信息。
与其他表征技术不同，AFM拥有很多独特的优点，比如非接触和高分辨率等。
因此，它在材料表征中被广泛应用。
在材料科学领域，AFM广泛应用于生物组织、聚合物、纳米材料和铁磁材料等方面的表征。
在生物医学中，AFM可用于研究细胞表面形态学特征、细胞与细胞、细胞与外界环境之间的相互作用等问题。
在纳米学领域，AFM可用于制备和表征纳米微器件，如纳米机器人、纳米传感器等。
在材料工程领域，AFM可用于研究聚合物、合金、陶瓷、半导体和高分子材料等面的表征。
二、AFM在材料表征中的应用在材料表征中，AFM可以用于研究材料的各种性质，如结构、性质和反应行为等。
下面分别介绍一些常见的应用领域：1、纳米表征纳米尺度下的表征是AFM的主要应用领域。
通过AFM，可以直接观测到单个原子及其排布规律，并能够提取出纳米材料的微观结构信息，如表面形貌、晶体结构、晶粒尺寸和表面化学性质等。
这些信息可以被用于研究液态水的表面张力、材料的生物相容性和生物活性等特性。
2、力学性质AFM可以用于测量材料和材料之间的黏着力、磨损、划伤和形变等力学性质，同时也可以检测材料的硬度和弹性模量等特性。
这些性质信息将有利于研究材料的载荷和材料的机械稳定性，从而更好地理解它们的性质与应用。
3、光学性质AFM可以测量光学材料和器件的表面性质、结构和形貌，包括表面粗糙度和平整程度等。
随着纳米科技的不断发展，高精度的光学设备将会取代传统的光刻和光采集技术，AFM应用于表征光学材料将会变得越来越重要。
原子力显微镜的原理及应用
原子力显微镜的原理及应用1. 原子力显微镜的原理原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种基于探针与样品之间的相互作用力进行显微观测的仪器。
它利用微小探针在纳米尺度上与样品表面的相互作用力，通过测量探针的位移或力的变化，实现对样品表面形貌和性质的高分辨率表征。
1.1 原子力显微镜的探针•原子力显微镜的探针通常由单个或多个纳米尺寸的晶体材料制成，如硅、碳纳米管等。
探针的尖端具有非常尖锐的几何形状，其尺寸可以控制在纳米级别。
1.2 原子力显微镜的工作原理•原子力显微镜在扫描过程中，探针通过微小的弹簧力和表面之间的静电引力或范德华力等相互作用力与样品表面发生作用。
这些相互作用力的变化通过探针的位移或力的变化传递给检测系统，最终生成样品表面的形貌和性质图像。
2. 原子力显微镜的应用原子力显微镜在材料科学、表面物理和生物科学等领域有着广泛的应用。
下面列举了一些常见的应用领域。
2.1 材料表面形貌与性质分析•原子力显微镜能够对材料表面的形貌和性质进行高分辨率的表征，包括表面粗糙度、晶体结构、自组装行为等。
这对于材料的表面工艺和性能研究具有非常重要的意义。
2.2 生物样品的形态学研究•原子力显微镜可以对生物样品中的细胞、细胞器、蛋白质等进行高分辨率的形态学研究。
通过观察生物样品的表面形貌和结构，可以获取关于其生物学功能和病理变化的重要信息。
2.3 表面力学性能的表征•原子力显微镜可以通过对探针与样品之间的弹性变形进行测量，实现对样品的力学性能进行表征。
这对于材料的力学性能分析、薄膜的力学性质研究等具有重要意义。
2.4 纳米加工与纳米操控•原子力显微镜不仅可以用于纳米尺度下的观察，还可以通过在探针尖端施加微小力量，实现纳米级别的加工和操纵。
这对于纳米器件的制备和纳米材料的操控具有非常重要的应用前景。
2.5 电磁性能的表征•原子力显微镜可以通过测量在电磁场作用下样品表面的位移或力的变化，实现对电磁性能的表征，包括电容、导电性等。
AFM
原子力显微镜(AFM)实验报告姓名孙亮成绩实验日期班级/学号41060925一、本实验所用AFM 的组成部分有哪些？SPM控制器、步进电动机、压电陶瓷管、激光检测器、探针悬臂、样品逼近螺杆、激光器二、本实验所用AFM 的测量精度、环境要求及适用范围？测量精度：0.01nm环境要求：恒温，隔振，清洁适用范围：形貌检测，力检测，位移检测原子力显微镜(AFM)实验报告三、画图并说明AFM 的测量原理？原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。
利用光学检测法或隧道电流检测法信息。
四、简述AFM 与STM 的主要区别。
STM是测量的隧道电流的变化来测定表面形貌的，包括恒电流和恒电压模式所以要求样品（至少是表面）导电，一般最好的情况是金属表面有一层氧化膜，如果不满足这个条件，STM就无法扫描的。
ATM是以作用力导致针尖形变的测量原理，主要有恒力和恒距离式（包括contact mode 和tapping mode），一般要求样品表面够平整，除此之外，对样品的要求较松，所以不用需要类似于电镜的镀膜等过程，AFM可以测量表面的形貌图，可以在溶液中进行成象，实现位观察反应过程等，也可以通过力曲线的测量，测定表面与针尖的相互作用力，典型的例子就是通过在AFM tip上面修饰了抗原后，测定与样品表面固定的抗体的相互作用，达到相互识别判定。
但是无法得到样品内部结构的信息。
AFM原子力显微镜技术及应用实验报告
AFM原子力显微镜技术及应用实验报告AbstractAtomic force microscopy (AFM) is a powerful, non-invasive imaging tool used to visualize and measure nanoscale features, such as surface topography, cell adhesions, and even single molecules. This report provides a detailed description of the principles of AFM technology and its application in imaging nanoscale features. The experimental procedure used to generate images of nanoscale features is also demonstrated.IntroductionAtomic force microscopy (AFM) is a powerful and non-invasive imaging tool which can provide quantitative information on the surface topography of a sample at a nanometer scale. By scanning the surface of a specimen with a cantilever bearing a probe, it is possible to image and measure the surface topography of the specimen with nanometer resolution. AFM has found applicationsin a wide range of fields, from the study of surface topography of cells and polymers to the measurement of single molecule interactions.Principle of Atomic Force MicroscopyAtomic force microscopy employs a small probe at the tip of a cantilever to scan the surface of a sample. The cantilever is made of a spring-like material that oscillates up and down whensubject to a force. The probe is attached to the end of the cantilever, and its surface interacts with the surface of the sample. The cantilever is typically made of silicon or silicon nitride and the probe is made of a hard material such as diamond, silicon, or silicon nitride.ApplicationsAtomic force microscopy is used for a variety of applications. It can be used to image the surface topography of cells and polymers, to measure the friction between surfaces,and to measure the adhesion of cells and single molecules.In biological research, AFM is often used to image the surface topography of living cells and measure cell adhesion.This can be used to evaluate the health of the cells and tostudy cell adhesion mechanisms. AFM can also be used to image single molecules in order to measure their size, shape and conformation. This can be used to study the folding andunfolding of proteins and to measure the binding affinity between molecules.In materials research, AFM is often used to measure the friction between surfaces. It can be used to measure the wear of materials and to study the mechanical properties of materials at the nanoscale. It can also be used to measure the surface roughness of materials and to characterize the nanostructure of materials.Finally, AFM can be used to measure the adhesion of biological cells and single molecules. It can be used to study the adhesion of cells to surfaces, the forces involved in cell adhesion, and the contact angles between cells and surfaces. Furthermore, it can be used to study the binding interaction between single molecules and their surface or substrate.Experimental ProcedureThe basic experimental procedure for using AFM is as follows:1. Prepare the sample:The sample must be attached to a substrate such as a glass slide or a silicon wafer. The substrate must be clean and freeof contaminants.2. Set up the AFM:The AFM must be calibrated and the cantilever and probe must be prepared. The cantilever should be mounted in the AFM and the probe should be calibrated.3. Scan the Sample:The sample is scanned with the AFM in order to generate an image of the sample's surface topography.4. Analysis:The AFM image can be analyzed to measure features in the sample's surface topography.ConclusionAtomic force microscopy is a powerful imaging tool that can be used to visualize and measure nanoscale features, such as surface topography, cell adhesions, and even single molecules. This report has described the principles of AFM technology and demonstrated its application in imaging nanoscale features with an experimental procedure. It is clear that AFM technology is a powerful tool for research in biology, materials science, and other fields.。
原子力显微镜的原理及应用
原子力显微镜的原理及应用原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种基于扫描探针显微技术的非接触式三维表面形貌和力学性质测量仪器。
它利用微米尺度探针对样品表面进行扫描，测量表面的力学性质，并通过计算机处理得到样品表面的高度图像等详细信息。
AFM的原理和应用十分广泛，下面将详细介绍。
首先，AFM的原理是基于微弹簧原理。
它通过在探针的针尖上附加微弹簧，使探针与样品表面之间的相互作用力引起弹簧变形。
当探针在样品表面扫描时，弹簧变形的程度与样品表面的形貌及力学性质有关。
通过测量探针的弯曲程度，可以得到样品表面的形貌信息。
同时，AFM还可以在样品表面施加特定的力，从而测量样品的力学性质，如弹性模量、硬度等。
AFM的应用非常广泛。
首先，AFM可以用于材料表面的形貌测量。
与传统的光学显微镜相比，AFM可以以原子级的分辨率观察到材料表面的微观结构，如晶体的缺陷、表面的均匀性等。
这对于材料的研究和表征具有重要意义。
此外，AFM还可以用于纳米材料的表征，如纳米颗粒的大小和形状等。
其次，AFM可以用于生物科学的研究。
由于AFM能够在液体环境下进行扫描，可以直接观察细胞和生物分子的表面形貌和力学特性。
这对于研究细胞的结构和功能，以及生物分子的相互作用具有重要意义。
例如，科学家可以利用AFM观察细菌细胞的形态变化，进一步研究其生长和分裂的机制。
此外，AFM还可以用于纳米器件的制备和表征。
在纳米器件的制备中，AFM可以用于实时监测纳米颗粒的形貌和尺寸，控制其生长过程。
在纳米器件的表征中，AFM可以用于观察金属或半导体材料的电子结构和缺陷分布，从而评估器件的质量和性能。
最后，AFM还可以应用于表面力学性质的研究。
不同材料的表面具有不同的硬度和弹性模量等力学性质。
通过在AFM的探针上施加不同的力，可以得到样品表面的硬度分布和弹性模量分布等重要信息。
这对于材料的力学性能研究和材料改性具有重要意义。
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AFM原子力显微镜技术及应用实验报告——指导老师：袁求理近代物理实验报告物理班实验小组2012年12月18日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。
一、实验组员：邵孙国（10072127）、周柬辉（10072137）、陈俊峰（10072122）、任寿良（10072126）。
二、实验目的：Ⅰ、学习和了解AFM的结构和原理。
Ⅱ、掌握AFM的操作和调试过程，并以之来观察样品表面的形貌。
Ⅲ、学习用计算机软件来处理原始数据图像。
三、实验原理简析：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轻微变形，这样，微悬臂的轻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。
（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。
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) 和共振模式或轻敲模式(Tapping Mode) 。
（1）接触模式：从概念上来理解，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面保持亲密的接触，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，因此力的大小范围在10 - 10～10 - 6 N。
若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，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5～10 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控制，通常为10 - 12 N ，样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体的表面。
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十分困难。
因为样品表面不可避免地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，一种恒定的驱使力使探针悬臂以一定的频率振动。
当针尖刚接触样品时，悬臂振幅会减少到某一数值。
在扫描过程中，反馈回路维持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。
同上述轻敲式，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，探针在选定区域沿着样品表面逐行扫描。
实验扫描的是光栅，纳米铜微粒以及纳米微粒，选用的是轻敲式。
敲击模式优点：敲击模式在一定程度上减小样品对针尖的粘滞现象，因为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。
一、实验前准备：①样品制备1）铜微粒样品制备把之前实验制备得的铜微粒纳米材料分散到溶剂中，比较稀的状态下，然后涂于解离后的云母片上，自然晾干。
2）纳米微粒制备把纳米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获取，采用胶纸法。
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。
②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，让光斑打在悬臂范围内。
再调节另一端旋钮，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节。
另外调节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) 调节探测头部侧面两个旋钮，通过软件调节使光斑基本打在四象限接收器中间。
4) 将“自动扫描”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、实验中测量过程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<1 mm。
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PSD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：Z反馈信号约稳定在－150至－250之间（不单调增减即可），就可以开始扫描样品。
5）读数基本稳定后，打开扫描软件，开始扫描。
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钮退样品，直至下方平台伸出1厘米左右。
7）实验完毕，依次关闭：激光器-高压电源-控制机箱。
8）处理图像，得到尺寸。
（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 扫描范围X：10003 nm；Y：10003nm图像大小X：238 pixel；Y：238 pixel测量计算图：（2）纳米微粒的表面形貌纳米微粒测量结果如下：纳米微粒大小纳米微粒半径：r=7扫描范围X：10003 nm；Y：10003nm 图像大小X：238 pixel；Y：238 pixel 测量计算图：（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扫描范围X：10003 nm；Y：10003nm 图像大小X：238 pixel；Y：238 pixel 测量计算图：六、实验分析：（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，才能较好地保护探针？仔细调节接触距离，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。
（4）与传统的光学显微镜、电子显微镜相比，扫描探针显微镜的分辨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衍射极限，即只能分辨光波长或电子波长以上线度的结构。
而扫描探针显微镜的分辨本领主要取决于：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。
对于分辨率一定的图像，扫描范围越小，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，还有哪些方法可以达到相同数量级的测量精度？可采用电学方法：隧道电流法根据隧道电流对电极间距离非常敏感的原理，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。
小组学习近代物理实验课程的心得体会成员一：邵孙国近代物理实验教学是大学生实践教学中的重要环节，它对于培养大学生的实践能力和创新能力有着不可替代的作用。
近代实验教学模式多样、内容新颖、方法灵活，有时代特征。
学生按照实验教材上的步骤去做,用心去预习之后才能完成实验。
在一定程度上提高了学生的主动性与积极性,激发了我们独立思考的兴趣和激情。
这学期做的实验有微弱振动的双光栅测量、超声光栅测声速实验、变温霍尔效应、巨磁阻效应实验、铁磁材料居里温度的测量、全息照相、纳米微粒制备、AFM原子力显微镜技术及应用。
在这一个学期的实验里，我明白了近代物理实验，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发展中，起过重要作用的著名实验，以及体现科学实验中，不可缺少的现代实验技术的实验组成。
使我受到著名物理学家的物理学家，物理思想和探索精神的熏陶，激发了我的探索和创新精神。
成员二：周柬辉为期一学期的大学物理实验就要画上一个圆满的句号了，回顾这一学期的学习，感觉十分的充实，这个学期总共做了7个探究性试验以及一个自主试验。
包括了微弱振动的双光栅测量，超声光栅测声速实验，变温霍尔效应，巨磁阻效应实验，铁磁材料居里温度的测量，全息照相，纳米微粒制备，以及自主实验AFM原子力显微镜技术及应用。