原子力显微镜实验报告2016.
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。
实验：利用原子力显微镜测量半导体薄膜表面的粗糙度
实验：利⽤原⼦⼒显微镜测量半导体薄膜表⾯的粗糙度实验：利⽤原⼦⼒显微镜测量半导体薄膜表⾯的粗糙度[实验⽬的]1、学习和了解原⼦⼒显微镜的原理和结构；2、学习掌握原⼦⼒显微镜的操作和调试过程，并以之来观察半导体样品的表⾯形貌；3、学习⽤计算机软件处理原始数据图象。
[实验仪器]本原CSCM4000型扫描探针显微镜，原⼦⼒探针等[实验原理]⼀、原⼦⼒显微镜原⼦⼒显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由IBM公司的Binnig与史丹佛⼤学的Quate于⼀九⼋五年所发明的，其⽬的是为了使⾮导体也可以采⽤扫描探针显微镜（SPM）进⾏观测。
原⼦⼒显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最⼤的差别在于并⾮利⽤电⼦隧道效应，⽽是利⽤原⼦之间的范德华⼒（Van Der Waals Force）作⽤来呈现样品的表⾯特性。
假设两个原⼦中，⼀个是在悬臂（cantilever）的探针尖端，另⼀个是在样本的表⾯，它们之间的作⽤⼒会随距离的改变⽽变化，其作⽤⼒与距离的关系如“图1”所⽰，当原⼦与原⼦很接近时，彼此电⼦云斥⼒的作⽤⼤于原⼦核与电⼦云之间的吸引⼒作⽤，所以整个合⼒表现为斥⼒的作⽤，反之若两原⼦分开有⼀定距离时，其电⼦云斥⼒的作⽤⼩于彼此原⼦核与电⼦云之间的吸引⼒作⽤，故整个合⼒表现为引⼒的作⽤。
若以能量的⾓度来看，这种原⼦与原⼦之间的距离与彼此之间能量的⼤⼩也可从Lennard –Jones的公式中到另⼀种印证。
从公式中知道，当r降低到某⼀程度时其能量为+E，也代表了在空间中两个原⼦是相当接近且能量为正值，若假设r增加到某⼀程度时，其能量就会为-E同时也说明了空间中两个原⼦之间距离相当远的且能量为负值。
不管从空间上去看两个原⼦之间的距离与其所导致的吸引⼒和斥⼒或是从当中能量的关系来看，原⼦⼒显微镜就是利⽤原⼦之间那奇妙的关系来把原⼦样⼦给呈现出来，让微观的世界不再神秘。
在原⼦⼒显微镜的系统中，是利⽤微⼩探针与待测物之间交互作⽤⼒，来呈现待测物的表⾯之物理特性。
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。
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。
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。
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。
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。
试验名称原子力显微镜
实验六原子力显微镜的构造及样品表面形貌分析1. 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。
2. 实验原理2.1 AFM的工作原理AFM使用一个安装在对微弱力极敏感的微悬臂上的极细探针对样品进行探测。
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），微悬臂偏转。
扫描时控制这种作用力恒定，则带针尖的微悬臂将对应于原子间作用力的等位面。
微悬臂在垂直于样品表面方向上起伏运动，通过光电检测系统其偏转进行扫描，测得针尖相对于扫描各点的位置变化，将信号放大、转换，即可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，包括微悬臂和固定于其一端的针尖；其成像的关键过程是检测微悬臂的运动。
检测方法很多，主要可分为两类：电学方法和光学方法。
电学方法主要包括隧道电流检测法和电容检测法两种；光学法则是通过测量激光束在微悬臂背面的反射来测量探针运动，包括偏转探测法、自差法、外差法和干涉法等。
2.2 AFM的工作方式当AFM的微悬臂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耳斯力和电子轨道重叠引起的斥力。
原子力与针尖至样品表面原子间的距离关系如图1所示。
当两个原子相互靠近时，它们先相互吸引，随着原子间距的减小，引力将逐渐被两个原子间的电子斥力抵消，原子力将逐渐由引力过渡到斥力。
利用该性质，让针尖与样品处于不同的间距，AFM将有三种不同的工作方式，即接触模式、非接触模式和共振模式或轻敲模式。
3. 实验描述3.1 方法描述本次实验采用偏转探测法检测微悬臂的运动。
检测方法示意图如图2所示。
一束激光经微悬臂的背面反射到一个位置灵敏探测器（PSD ）上，当微悬臂弯曲时，激光束在探测器上的位置将发生移动。
PSD 本身可测量光点小至1nm 的位移，而通过利用光杠杆放大原理，系统可探测针尖在垂直方向上小于0.1nm 的位移。
实验五 原子力显微镜AFM
实验五原子力显微镜AFM（Atomic Force Microscopy）081190095 张晨081190109 赵明一、实验目标1. 了解AFM的工作原理及各个工作模式2. 利用AFM测量样品表面形貌，并能对其进行初步分析二、实验原理1. 基本原理AFM是SPM中应用领域最广泛的表面观察与研究工具之一，其利用的是针尖原子与样品原子之间的相互作用力。
当一根十分尖锐的微探针在纵向充分逼近样品表面至数纳米甚至更小间距时，微探针尖端的原子和样品表面原子之间将产生相互作用的原子力。
原子力的大小与间距之间存在一定的曲线关系。
在间距较大的起始阶段，原子力表现为引力，随着间距的进一步减小，由于价电子云的相互重叠和两个原子核的电荷之间的相互作用，原子力又转而表现为排斥力，这种排斥力随着间距的缩短而急剧变大。
AFM正是利用与间距之间的这些关系，通过检测原子间的作用力而获得样品表面的微观形貌。
由于AFM利用原子力工作而不是利用电流，所以它可以对导电性差的半导体、绝缘体的表面进行测量。
2. 原子力显微镜的基本结构如图1所示，原子力显微镜分为力检测部分、位臵检测部分和反馈系统。
●力检测部分：使用微小的悬臂来检测原子间范德华力的变化量。
●位臵检测部分：针尖和样品之间有了相互作用后，会使悬臂摆动，所以当激光照射在悬臂的末端时，其反射光的位臵也会有所改变，造成偏移量的产生。
这部分检测激光光板的位臵并转换成电信号。
●反馈系统：信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会使此信号当作反馈信号，作为内部调整信号，驱使扫描器作适当移动，以保持样品和针尖保持合适的作用力。
3. 探针目前，微悬臂探针广泛应用于扫描探针显微镜中。
微悬臂探针由一个可发生弹性形变的悬臂构成，在最尖端处有一个原子级尖锐的针尖，如图2所示。
大部分的微悬臂探针是由硅或氮化硅制造而成的，有不同的大小和覆盖层，所以探针的物理性质（如弹性系数）也不同。
用户可以根据样品的性质和所用的工作模式选择适当的探针。
实验13 原子力显微镜AFM
实验三原子力显微镜AFM0 前言1982年，IBM公司苏黎世实验室的G.Binnig和H.Rohrer发明了世界上第一台扫描隧道显微镜STM(Scanning tunneling microscope)。
它使人们第一次在实空间观察到了原子的晶格结构图象。
但是必须是导电样品，STM才能进行观察。
1986年Binnig、Quate和 Gerber成功地制作了第一台原子力显微镜AFM （Atomic force microscope)，由于AFM是测量针尖原子与样品表面原子的极微弱的排斥力，并不产生隧道电流，因此可适用于导体和绝缘体样品，检测其表面结构的形貌。
1实验目的1．了解原子力显微镜工作原理。
2．基本掌握AFM一Ⅱ型原子力显微镜的操作。
3．分析计算机记录样品的AFM图象。
2 原理AFM是SPM家族中应用领域最为广泛的表面观察与研究工具之一。
其工作原理基于原子之间的相互作用力。
当一根十分尖锐的微探针在纵向充分逼近样品表面到几纳米甚至更小间距时，微探针尖端的原子和样品表面的原子之间将产生相互作用的原子力。
原子力的大小与间距之间存在一定的曲线关系。
当间距较大时，原子力为引力，当距离减小，原子力逐渐从引力变成斥力。
这是由于价电子云的相互重叠和两个原子核的电荷间的相互作用的结果。
AFM 正是利用原子力与间距之间的这些关系，通过检测原子间的作用力而获得样品表面的微观形貌的。
通常原子力显微镜AFM有几：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。
这些不能提供原子分辨率但可得到表面有关的重要信息。
AFM采用对微弱力极其敏感的微悬臂作为力传感器—微探针。
微悬臂一端固定，另一端置有一个与微悬臂平面垂直的金字塔状微针尖。
当针尖与样品之间的距离逼近到一定程度时，两者间将产生相互作用的原子力，其中切向力(摩擦力)Ft使微悬臂扭曲，法向(纵向)力Fn将推动微悬臂偏转。
10.5 原子力显微镜
实验10.5 原子力显微镜一、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。
1982年，G. Binnig和H. Rohrer在IBM公司苏黎世实验室共同研制成功了第一台扫描隧道显微镜（scanning tunnelling microscope, 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。
1986年，Binig和Rohrer被授予诺贝尔物理学奖。
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，Binnig，Quate和Gerber 决定用微悬臂作为力信号的传播媒介，把微悬臂放在样品和STM的针尖之间，于1986 年推出了原子力显微镜(atomicforcemicroscope, AFM)，AFM是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用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，其应用领域更为广阔，除物理、化学、生物等领域外，AFM在微电子学、微机械学、新型材料、医学等领域都有着广泛的应用。
以STM和AFM为基础，衍生出了一系列的扫描探针显微镜（SPM），有激光力显微镜（LFM）、磁力显微镜（MFM）等。
扫描探针显微镜主要用于对物质表面在纳米级上进行成像和分析。
二、实验目的1. 了解原子力显微镜的工作原理。
2. 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代替STM中的金属极细探针，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，通过光电检测系统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，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。
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.。
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实验报告物理与电子系应用物理学专业1401班姓名肖伟杰学号1401140108 指导老师黄迪辉实验时间2016年6月4日，第十四周星期六下午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、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。
根据物理学原理,施加到Cantilever 末端力的表达式为：F = KΔZ。
ΔZ 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。
但是,探针针尖曲率半径的大小将直接影响到测量的水平分辨率。
当样品的尺寸大小与探针针尖的曲率半径相当或更小时,会出现“扩宽效应”,即实际观测到的样品宽度偏大。
这种误差来源于针尖边壁同样品的相互作用以及微悬臂受力变形。
某些AFM 图像的失真在于针尖受到污染。
一般的机械触针为金刚石材料,其最小曲率半径约20 nm。
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。
其一是发展制得更尖锐的探针,如用电子沉积法制得的探针,其针尖曲率半径在5～10 nm 之间。
其二是对探针进行修饰,从而发展起针尖修饰技术。
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) 和恒高模式(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。
品与探针的作用力还有其他形式,如当样品与探针在液体介质中相接触时,往往在它们的表面有电荷,从而产生静电力;样品与针尖都有可能发生变形,这样样品与针尖之间有形变力;特定磁性材料的样品和探针可产生磁力作用;对另一些特定样品和探针,可能样品原子与探针原子之间存在相互的化学作用,而产生化学作用力。
但在研究样品与探针之间的作用力的大小时,往往假设样品与探针特定的形状(如平面样品、球状探针) ,可对样品和探针精心设计与预处理,避免或忽略静电力、形变力、磁力、化学作力等的影响,而只考虑范德华力和排斥力。
三、实验装置：仪器特点：（1）扫描时间比较短，如果扫描一幅图像需要十多分钟，那么周围的电干扰，光干扰以及震动，温度的变化等因素将直接影响到图像的准确性和完整性。
（2）卧式设计：主要是消除微悬臂自身的重力对纵原子力的干扰，卧式AFM中的重力方向与用于成像的原子力互相垂直，从而提高了仪器的灵敏度。
四、实验内容：本实验采用接触模式中的恒力模式：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。
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<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，得到粗糙度：（1）A4纸样品的表面形貌A4纸的测量结果如下：粗糙度Ra：14.8 nm ；Ry：436.4 nm ；Rz：436.4 nm扫描范围X：4000 nm ；Y：4000 nm图像大小X: 400 pixel ; Y: 400 pixel二维表面形貌：三维表面形貌：从扫描图可以看出，A4纸在右上角部位图像变化比较大，改变扫描范围，只扫描右上角部位，观察图像的变化。
改变扫描范围扫描A4纸的结果如下：粗糙度Ra：15.5 nm ；Ry：109.7 nm ；Rz：109.7 nm、扫描范围：X：3000 nm ；Y：1000 nm图像大小：X: 400 pixel ; Y: 400 pixel二维图形貌如下：三维图形貌如下：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。
由于扫描范围变小，可以看出图像相比于之前更清晰，所以在实验中若想得到比较清晰的图，可减小扫描范围（2）导电ITO样品的表面形貌粗糙度Ra: 2.1 nm ; Ry: 30.1 nm ; Rz: 30.1 nm扫描范围X: 400 0nm ; Y: 4000 nm图像大小X: 400 pixel ; Y: 400 pixel二维表面形貌：三维表面形貌：（3）Cu样品的表面形貌粗糙度Ra: 26.7 nm ; Ry: 238.6 nm ; Rz: 238.6 nm扫描范围X: 4000 nm ; Y: 4000 nm图像大小X: 400 pixel ; Y: 400 pixel二维图像形貌：三维图像形貌：五、分析和讨论实验结果1.实验数据分析：从三个实验结果所测量的图貌不难看出，AFM扫描出的图形能直接看出样品的表面结构。