原子力显微镜实验报告

原子力显微镜应用技术

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）A FM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：

(2) 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) 。

本实验采用轻敲模式：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。

三、实验仪器及试剂

试剂及材料：石墨烯溶液，云母片

仪器：nanoscope 5.31r

四、步骤

依次按下面步骤开启实验仪器：

1.开机：先开电脑再开主控制器

2.打开程序：Nanoscope：

3. 安装样品：用双面胶带将云母片粘到圆形铁片上，再将其放置到样品台上。调节中部拨钮UP控制样品台降低到样品上表面低于样品台两侧的圆球。

4. 安装探针：用镊子小心将探针安装到HOLDER中。

5. 安装HOLDER 调节样品台后面的旋钮，把HOLDER固定紧；

调节拨钮DOWN使样品台尽量接近探针针尖；

6. 调节激光至针尖：调节样品台上方的两个旋钮，并观察下方的屏幕，将激光调至针尖处，同时屏幕的SUM值最大；调节样品台后面横型旋钮，用于控制样品室中的反射镜子，调节旋钮使屏幕上的SUM值最大；调节样品台上面和后面的两个旋钮，使屏幕上VERT和HORZ均为0左右；将光敏检测器旋至最小；将左边拨钮拨至on；

7. 开始测试：控制面板左上：

(1)TUNE：弹出对话框，点击下方Auto Tune自动调节，完成之后，点击Exit 退出。

(2)下针：弹出表单，表单消失后，自动开始扫描SCAN

(3) Capture : Capture file name，弹出对话框，对图像命名，并选择保存路径。

测试结束后，X-offset和Y-offset归零； Scan Size归零 Scan angle归零

(4)WITHDRAW：抬针，

五、实验的测量结果：

（1）云母片表面形貌

二维表面形貌：

从扫描图可以看出，云母片上有许多小得球状粒子，可能是用透明胶剥离云母片表面时没剥离完全，上次测的样品还有残留。

（2）石墨烯二维平面图

从图中可以看到石墨烯的呈片状，云母表面较平整，但是噪声比较大。

六、实验注意事项

1、防止针尖损坏： AFM 的针尖是整个仪器最脆弱的部分，一碰即断，所以应该防止一切物体与针尖直接接触。实验过程中针尖容易损坏的环节主要有两个，一是安装针尖的时候，二是进针的时候。

2、在装样品时维持样品表面的清洁，否则测量的图不清晰。

2、在实验过程中，桌面的震动会是扫描的图形出现一条缝。由于实验采用的是接触模式，周围环境的震动会影响图形的的测量结果，因而开始扫描后尽量保持实验桌的稳定，否则会过大的震动会破坏图形。

七，实验思考

（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。