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() 和固定于其一端的针尖。根据物理学原理,施加到末端力的表达式为：

表示针尖相对于试样间的距离, 为的弹性系数，力的变化均可以通过被检测。

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。表面粗糙度的评定参数很多，这里选用轮廓算数平均偏差，微观不平度十点高度，轮廓最大高度作为系统纳米粗糙度测量的三个轮廓高度评定参数。

轮廓算数平均偏差为取样长度内轮廓偏距绝对值的算术平均值：

其中为基线中线的表面轮廓高度，为所取的轮廓偏距数。

微观不平度十点高度是指在取样长度内的5个最大的轮廓峰高的平均值和5个最大的轮廓谷深的平均值之和

轮廓最大高度为取样长度内轮廓峰顶线与轮廓谷底线之间的距离：

式中分别为第个轮廓峰高和第个轮廓谷深，为取样长度内的峰谷个数。

三．实验装置

控制机箱，激光电源，样品台，高压电源，计算机

四．实验步骤

（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

五．数据处理

实验的图像结果如下，样品为A4纸。

二维图像形貌：

三维图像形貌：

数据结果为：        粗糙度    

扫描范围  

图像大小  

六．误差分析

该实验主要是观察扫描图像，没有理论值可以比较，但从实验原理讲还是存在一定的误差。

首先，实验中不能保证仪器处于完全静止状态，任何微小振动，比如说话和走动，都能引起图像上出现一道裂缝，所以实验图像不可能完全平整。

图像的精细程度与扫描的取样次数有很大关系，实验中为了缩短扫描时间，取样数设置的不是很高，所以实验图像不是很清晰，如果把取样次数调高，那么得到的图像纹理就会很清晰。

七．思考题

（1）AFM探测到的原子力的由哪两种主要成分组成？

答：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？

答：仔细调节接触距离，首先进行粗调，不要让探针压迫样品，保持探针与样品1mm，然后进行细调细调的时候观察反射的斑点，以保证探针不压迫样品。

（3）原子力显微镜有哪些应用？

答：原子力显微镜可以在真空，超高真空，气体，溶液，电化学环境，常温和低温等环境下工作，在研究时可选择适当的环境。在物理学上，AFM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。

（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？

答：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？

答：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。

八．实验心得

首先要保持样品的清洁，ATM是比较精密的仪器，如果用手触摸样品，留下油渍，那么在图像中会反映出来，影响了实验结果。

其次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是进针的时候。本实验实验时针尖已安装好，所以在装样品和粗调是不要碰到尖针。

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。

第二篇：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。　　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。

四，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。

五，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

六，实验的测量结果：

（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：

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。从三维图像中物体的起伏情况可以看出样品表面各区域的粗糙度。

实验分析：

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。本实验实验时针尖已安装好，所以在装样品和粗调是不要碰到尖针。

   在装样品时维持样品表面的清洁，否则测量的图不清晰。

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，对实验的讨论

（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。

参考文献

黄润生等。近代物理实验(第二版)。南京大学出版社。