原子力显微镜实验报告_南京大学
中南大学近代物理实验报告-原子力显微镜实验报告
近代物理实验实验报告实验名称：原子力显微镜所在学院：物理与电子学院专业班级：物理升华班1301学生姓名：黄佳清学生学号：0801130117指导教师：黄迪辉一、目的要求(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.基本原理AFM是利用一个对力敏感的探针针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的，工作原理如图1所示。
将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品的表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的作用力（10-8～10-6 N），微悬臂会发生微小的弹性形变。
针尖和样品之间的力F与微悬臂的形变△z 之间遵循胡克定律（Hooke Law）F = k·△z其中，k为微悬臂的力常数。
测定微悬臂形变量的大小，就可以获得针尖与样品之间作用力的大小。
针尖与样品之间的作用力与距离有着强烈的依赖关系，所以在扫描过程中利用反馈回路保持针尖和样品之间的作用力恒定，即保持微悬臂的形变量不变，针尖就会随表面的起伏上下移动。
记录针尖上下运动的轨迹即可得到样品表面形貌的信息。
这种检测方式被称为“恒力”模式（Constant Force Mode），是AFM使用最广泛的扫描方式。
AFM的图像也可以使用“恒高”模式（Constant Height Mode）来获得，也就是在x、y扫描过程中，不使用反馈回路，保持针尖与参考水平面之间的距离恒定，检测器直接测量微悬臂z 方向的形变量来成像。
这种方式由于不使用反馈回路，可以采用更高的扫描速度，通常在观察原子、分子像时用得比较多，而对于表面起伏较大的样品不适合。
图1 AFM原理示意图2. AFM的工作模式当AFM的针尖与样品表面原子相互作用时，通常有几种力同时作用于微悬臂，其中最主要的是范德瓦尔斯力(Van der Waals forces)。
针尖与样品表面原于间的范德瓦尔斯力与距离关系曲线如图2所示。
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。
原子力显微镜实验报告
原子力显微镜实验报告实验目的：本次实验旨在通过原子力显微镜对样品进行观测和分析，了解原子力显微镜的工作原理和应用。
实验仪器和材料：1. 原子力显微镜。
2. 样品。
3. 扫描探针。
4. 电脑及相关软件。
实验步骤：1. 将样品固定在样品台上，调整原子力显微镜的位置和参数。
2. 启动原子力显微镜软件，对样品进行扫描。
3. 观察扫描得到的图像，分析样品的表面形貌和结构特征。
实验结果：通过原子力显微镜观察，我们成功地获得了样品表面的高分辨率图像。
图像清晰地显示出样品表面的原子排列和微观结构，为我们提供了宝贵的信息和数据。
实验分析：原子力显微镜是一种非常强大的工具，可以实现对样品表面的原子尺度的观测和分析。
通过调整扫描参数，我们可以获取不同分辨率的图像，从而揭示样品表面的微观结构和性质。
这对于材料科学、纳米技术等领域具有重要的应用意义。
实验总结：本次实验通过原子力显微镜的操作，使我们对其工作原理和应用有了更深入的了解。
原子力显微镜的高分辨率、高灵敏度和非破坏性的特点，使其成为材料科学和纳米技术研究中不可或缺的工具。
通过实验，我们对原子力显微镜的操作技能和样品表面的观测能力得到了提高。
在今后的学习和科研工作中，我们将进一步掌握原子力显微镜的原理和技术，不断拓展其在材料科学、生物医学等领域的应用，为科学研究和技术创新做出更大的贡献。
结语：通过本次实验，我们对原子力显微镜有了更深入的了解，实验结果也为我们提供了宝贵的数据和信息。
相信在今后的学习和科研工作中，我们将能够更好地运用原子力显微镜这一强大的工具，取得更多的成果。
愿我们在科学研究的道路上不断前行，探索出更多的奥秘，为人类的发展进步贡献自己的力量。
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。
扫描隧道显微镜实验报告
一、实验目的1.采用探针扫描显微镜进行微纳米级表面形貌测量。
2。
了解扫描探针显微镜的工作原理并熟悉原子力显微镜的操纵。
二、实验设备原子力显微镜、光盘块、装有SPM Console在线控制软件和Image后处理软件的计算机。
三、实验基础原子力显微镜（Atomic Force Microscope ，AFM）,一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。
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，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息.激光检测原子力显微镜(Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection, Laser-AFM)——扫描探针显微镜家族中最常用的一种为例，其工作原理如图1所示。
二极管激光器（Laser Diode）发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（Cantilever）背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器(Detector）.在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。
在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米（10e-9米）量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品，反馈回路（Feedback)的作用就是在工作过程中，由探针得到探针-样品相互作用的强度,来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离,反过来控制探针样品相互作用的强度,实现反馈控制。
原子力显微实验报告
数据处理：测量次数为6次，则x = n≈1；则A 类分量的不确定度∆A =σ=N i ——N 6i=1 2k −1;则槽宽∆A D =15..71槽深∆A h =4.10 条宽∆A d =79.49而在此仪器的测量中，∆B =0.5nm∆= σ2 + ∆B 2;则∆ D =15.71； ∆ h =4.11； ∆ d =79.49；其相对不确定度为：槽宽D ：15.71/491.33=3.12%槽深h:4.11/89.11=4.6%条宽d =79.49/1331.67=5.9%测量的数据可写为：槽宽D=491.333+− 15.71nm ；槽深h=89.11+−4.11nm ；条宽d=1331.67+−79.49nm实验总结：通过本次实验我了解了利用保持原子之间的相互作用力一定的基础上，利用探头位移的空间变化来表现样品微观表面的原理，通过这次实验也让我重温了一次不确定度得概念。
思考题：原子力显微镜的工作原理是什么？原子力显微镜的工作原理：原子力显微镜（ AFM ）的原理是利用针尖与样品表面原子间的微弱作用力来作为反馈信号，维持针尖——样品间作用力恒定，同时针尖在样品表面扫描，从而得知样品表面的高低起伏。
AFM的工作原理是将一个对微弱力非常敏感的微悬臂一端固定，另一端装上探针，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极微弱的排斥力使微悬臂向上弯曲。
通过检测微悬臂背面反射出的激光光点在光学检测器上的位置变化，可以转换成力的变化，因为反射光点的位置变化或微悬臂弯曲变化与力的变化成正比。
微悬臂的弯曲是多种力的共同作用结果，其中最普遍的是范得瓦尔力，针尖与样品表面微小的距离变化就能产生不同大小的范得瓦尔力。
通过控制针尖在扫描中这种力的恒定，测量针尖纵向的位移量，就可获得样品表面的微观信息。
2、原子力显微镜主要的扫描模式是什么？各自的特点？AFM有两种工作模式：恒力模式和恒高模式。
在恒力模式中，通过精确控制扫描头随样品表面形貌变化在纵向上下移动，微持微悬臂所受作用力的恒定，从扫描头的纵向移动值得出样品表面的形貌像。
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。
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。
原子力显微镜试验指导书
实验报告课程名称： 光信息综合实验 指导老师：__________________ 成绩：__________________ 实验名称： 基于AFM 的微纳米性能测试实验 实验类型：综合型 同组学生姓名：__________ 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求本实验的目的是学习了解原子力显微镜（AFM ）的基本原理，掌握基于位置敏感元件（PSD ）及光束偏转法的原子力探测方法，学习掌握AFM 仪器的组成部分及主要性能，要求掌握AFM 的主要操作方法，利用AFM 对几种典型样品进行微纳米扫描检测，获得样品表面的三维微结构图像，并对图像结果进行统计和分析。
二、实验内容和原理1．实验原理AFM 的基本原理基于探针与样品之间的原子力作用机制。
当微探针在Z 向逼近样品表面时，探针针尖的原子与样品原子之间将产生一定的作用力，即原子力，大小约在10-8 ～10-12 N 之间。
用如此微弱的原子力推动探针，探针本身应该非常细小（相对而言，STM 的探针或针尖整体是较大和较重的）；同时，这一探针必须固定在某一十分灵敏的弹性片上，以使作为传感器的弹性片在原子力作用下产生偏转，该弹性片就是通常所说的微悬臂（Cantilever ），图1。
AFM 的探针，包括“V ”字形或直条形微悬臂和集成在微悬臂外端的金字塔形微针尖两部分。
一般而言，当探针充分逼近样品进入原子力状态时，如两者间距相对较远，总体表现为吸引力；当两者相当接近时，则总体表现为排斥力。
原子力变化的梯度约为10-13 N/nm 。
原子力虽然很微弱，但是足以推动极为灵敏的微悬臂并使之偏转一定的角度。
因此，微悬臂的偏转量与探针—样品间距成对应关系。
探针探针图1 AFM 的微悬臂(探针)形式图2所示为AFM 的基本原理图，当探针与样品进入原子力状态时，因原子力作用，微悬臂产生偏转。
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。
现代材料分析方法原子力显微镜
2. 针尖因素
AFM成像实际上是针尖形状与表面形貌作用的结果，针 尖的形状是影响侧向分辨率的关键因素。针尖影响AFM成像 主要表现在两个方面：针尖的曲率半径和针尖侧面角，曲率 半径决定最高侧向分辨率，而探针的侧面角决定最高表面比 率特征的探测能力．如图3.4所示，曲率半径越小，越能分辨 精细结构．
端的针尖组成．随着精细加工技术的发展，人们已经能制
造出各种形状和特殊要求的探针。悬臂是由Si或Si3N4经光 刻技术加工而成的．悬臂的背面镀有一层金属以达到镜面
反射。在接触式AFM中V形悬臂是常见的一种类型(如图3.2
所示)．
它的优点是具有低的垂直反射 机械力阻和高的侧向扭曲机械 力阻．悬臂的弹性系数一般低 于固体原于的弹性系数， 悬臂 的弹性常数与形状、大小和材 料有关．厚而短的悬臂具有硬 度大和振动频率高的特点．
电子线路系统起到计算机与扫描系统相连接的作用，电 子线路为压电陶瓷管提供电压、接收位置敏感器件传来的信 号，并构成控制针尖和样品之间距离的反馈系统。
二、原子力显微镜的分辨率
原子力显微镜分辨率包括侧向分辨率和垂直分
辨率．图像的侧向分辨率决定于两种因素：采集 团像的步宽(Step size)和针尖形状．
第15章 其他显微分析方法
一、原子力显微镜原理
AFM的原理较为简单，它是用微小探针“摸索”
样品表面来获得信息．如图3.1所示，当针尖接近样
品时，针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改
变．悬臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信
号传递给反馈系统和成像系统，记录扫描过程中一 系列探针变化就可以获得样品表面信息图像．下面 分别介绍检测系统、扫描系统和反馈控制系统。
（4）电化学环境：正如超高真空系统一样，电化学系统为
中南大学近代物理实验报告-原子力显微镜实验报告
近代物理实验实验报告实验名称：原子力显微镜所在学院：物理与电子学院专业班级：物理升华班1301学生姓名：黄佳清学生学号：0801130117指导教师：黄迪辉一、目的要求(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.基本原理AFM是利用一个对力敏感的探针针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的，工作原理如图1所示。
将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品的表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的作用力（10-8～10-6 N），微悬臂会发生微小的弹性形变。
针尖和样品之间的力F与微悬臂的形变△z 之间遵循胡克定律（Hooke Law）F = k·△z其中，k为微悬臂的力常数。
测定微悬臂形变量的大小，就可以获得针尖与样品之间作用力的大小。
针尖与样品之间的作用力与距离有着强烈的依赖关系，所以在扫描过程中利用反馈回路保持针尖和样品之间的作用力恒定，即保持微悬臂的形变量不变，针尖就会随表面的起伏上下移动。
记录针尖上下运动的轨迹即可得到样品表面形貌的信息。
这种检测方式被称为“恒力”模式（Constant Force Mode），是AFM使用最广泛的扫描方式。
AFM的图像也可以使用“恒高”模式（Constant Height Mode）来获得，也就是在x、y扫描过程中，不使用反馈回路，保持针尖与参考水平面之间的距离恒定，检测器直接测量微悬臂z 方向的形变量来成像。
这种方式由于不使用反馈回路，可以采用更高的扫描速度，通常在观察原子、分子像时用得比较多，而对于表面起伏较大的样品不适合。
图1 AFM原理示意图2. AFM的工作模式当AFM的针尖与样品表面原子相互作用时，通常有几种力同时作用于微悬臂，其中最主要的是范德瓦尔斯力(Van der Waals forces)。
针尖与样品表面原于间的范德瓦尔斯力与距离关系曲线如图2所示。
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。
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
原子力显微镜摘要：光学显微镜、电子显微镜、扫描隧道显微镜，每一次重要显微技术的发展，都为科学和社会的进步作出了巨大的贡献。
而原子力显微镜的出现，则使得对非导电材料表面结构的测量达到了一个新的精度。
本文简要地阐述了原子力显微镜的原理，并使用原子力显微镜对四种不同材料的表面结构进行了测量。
关键词：原子力显微镜；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。
但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。
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。
2. 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。
3.实验原理1）AFM的工作原理和工作模式（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。
原子力显微镜实验课
原子力显微镜（AFM）实验一、实验目的1.了解原子力显微镜的构造及工作原理2.原子力显微镜的样品制备3.原子力显微镜图像处理步骤二、原子力显微镜的工作原理及构造原子力显微镜是以针尖与样品之间的原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品表面特性,范德华力属于原子级力场作用力, 所以被称为原子力显微镜。
其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、吸引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或吸引力来反映样品表面形貌和其他表面结构。
图1 原子力显微镜构造示意图在原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）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。
各部分主要作用简介如下：1. 力检测部分：在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。
所以在本系统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。
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。
这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。
图2. AFM悬臂图3. 激光位置监测器2.位置检测部分在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂cantilever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。
原子力显微镜操作总结共32页文档
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯 潘。
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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。
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10nm。
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。
3.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。
4.用粗调旋钮将样品逼近探针，相距小于1mm。
5.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。
6.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-250。
7.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。
8.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、数据处理（一）硅1.硅的二维表面形貌2.硅的三维表面形貌3.硅的粗糙度粗糙度 Ra: 2.6 nm ; Ry: 39.3 nm ; Rz: 39.3 nm 扫描范围 X: 4000 nm ; Y: 4000 nm图像大小 X: 400 pixel ; Y: 400 pixel（二）铜1.铜的二维表面形貌2. 铜的三维表面形貌3.铜的表面粗糙度粗糙度 Ra: 14.3 nm ; Ry: 103.0 nm ; Rz: 103.0 nm图像大小 X: 400 pixel ; Y: 400 pixel（三）1.A4纸的二维表面形貌2.A4纸的三维表面形貌3.A4纸的表面粗糙度粗糙度 Ra: 15.5 nm ; Ry: 112.6 nm ; Rz: 112.6 nm图像大小 X: 400 pixel ; Y: 400 pixel（四）导电ITO1. 导电ITO二维表面形貌2. 导电ITO三维表面形貌3. 导电ITO表面粗糙度粗糙度 Ra: 18.9 nm ; Ry: 189.4 nm ; Rz: 189.4 nm图像大小 X: 400 pixel ; Y: 400 pixel七、思考题1、AFM探测到的原子力的由哪两种主要成分组成？一是带电粒子间的库伦力，另一种是范德瓦尔斯力。
2.怎样使用AFM-Ⅱa和CCD光学显微镜才能较好的保护探针？在调节旋钮时避免探针接触到样品，注意观察PSD信号，信号变动就立即停止靠近。
3.原子力显微镜有哪些应用？在生物方面，因为AFM的工作范围很宽，可以在自然状态（空气或者液体）下对生物医学样品直接进行成像，分辨率也很高。
因此，AFM已成为研究生物医学样品和生物大分子的重要工具之一。
AFM应用主要包括三个方面：生物细胞的表面形态观测；生物大分子的结构及其他性质的观测研究；生物分子之间力谱曲线的观测。
在材料方面，原子力显微镜可以应用于材料表面形貌的探测，粉体材料的分析，研究晶面的生长过程等。
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？对于光学显微镜和电子显微镜，限制因素主要在于可见光和电子的波长限制，而扫描探针显微镜的限制在于1.微悬臂应具有较低的力弹性常数，使探针受到尽可能小的力时就可以产生可检测的位移；2.微悬臂要有较高的横向刚性，减小针尖与样品摩擦力的影响；3.探针的精细程度；4.背景噪声对探针的干扰。
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？干涉法:利用光的干涉如迈克尔逊干涉仪，距离发生变化干涉条纹也会发生变化；衍射法:长度变化的时候单缝缝宽发生变化，衍射条纹间距随之变化；电测法:把微小长度的变化转换为各种电学量相应的变化，用光敏感元件，使电参量随位移而变化，有电阻式、电容式、电感式、霍尔元件式和电阻应变片等测量方法；千分表法:利用精密齿轮或杠杆齿轮传动，将测杆的微小位移变化转换为刻度盘上指针读书变化。