南京大學(xué)-原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)報(bào)告(共6頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)報(bào)告一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解原子力顯微鏡的工作原理2掌握用原子力顯微鏡進(jìn)行表面觀測的方法二實(shí)驗(yàn)原理1AFM工作原理在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，可分成三個部分：力檢測部分、位置檢測部分、反饋系統(tǒng)。在AFM中用一個安裝在對微弱力極敏感的微懸臂上的極細(xì)探針。當(dāng)探針與樣品接觸時,由于它們原子之間存在極微弱的作用力(吸引或排斥力) ,引起微懸臂偏轉(zhuǎn)。 掃描時控制這種作用力恒定,帶針尖的微懸臂將對應(yīng)于原子間作用力的等位面,在垂直于樣品表面方向上起伏運(yùn)動, 因而會使反射光的位置改變而造成偏移量，通過光電檢測系統(tǒng)(通常利用光學(xué)、電容或隧道電流方法) 對微懸臂的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行掃描,測得微

2、懸臂對應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化, 此時激光檢測器會記錄此偏移量，也會把此時的信號給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。將信號放大與轉(zhuǎn)換從而得到樣品表面原子級的三維立體形貌圖像。AFM 的核心部件是力的傳感器件, 包括微懸臂() 和固定于其一端的針尖。根據(jù)物理學(xué)原理,施加到末端力的表達(dá)式為：表示針尖相對于試樣間的距離, 為的彈性系數(shù)，力的變化均可以通過被檢測。AFM 有三種不同的工作模式：接觸模式、非接觸模式和共振模式或輕敲模式。本實(shí)驗(yàn)采用接觸模式：樣品掃描時，針尖始終同樣品“接觸”，即針尖-樣品距離在小于零點(diǎn)幾個納米的斥力區(qū)域。此模式通常產(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨圖像。當(dāng)沿著樣品掃描時，由于表面的高低起伏使

3、得針尖-樣品距離發(fā)生變化，引起它們之間作用力的變化，從而使懸臂形變發(fā)生改變。當(dāng)激光束照射到微懸臂的背面，再反射到位置靈敏的光電檢測器時，檢測器不同象限會接收到同懸臂形變量成一定的比例關(guān)系的激光強(qiáng)度差值。反饋回路根據(jù)檢測器的信號與預(yù)置值的差值，不斷調(diào)整針尖一樣品距離，并且保持針尖一樣品作用力不變，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觀幾何形狀誤差的一個重要指標(biāo)。表面粗糙度的評定參數(shù)很多，這里選用輪廓算數(shù)平均偏差，微觀不平度十點(diǎn)高度，輪廓最大高度作為系統(tǒng)納米粗糙度測量的三個輪廓高度評定參數(shù)。輪廓算數(shù)平均偏差為取樣長度內(nèi)輪廓偏距絕對值的算術(shù)平均值：其中為基線中線的表面輪廓高

4、度，為所取的輪廓偏距數(shù)。微觀不平度十點(diǎn)高度是指在取樣長度內(nèi)的5個最大的輪廓峰高的平均值和5個最大的輪廓谷深的平均值之和輪廓最大高度為取樣長度內(nèi)輪廓峰頂線與輪廓谷底線之間的距離：式中分別為第個輪廓峰高和第個輪廓谷深，為取樣長度內(nèi)的峰谷個數(shù)。三實(shí)驗(yàn)裝置控制機(jī)箱，激光電源，樣品臺，高壓電源，計(jì)算機(jī)四實(shí)驗(yàn)步驟（1）依次開啟：電腦-控制機(jī)箱-高壓電源-激光器。（2）用粗調(diào)旋鈕將樣品逼近微探針至兩者間距<1 mm。（3）再用細(xì)調(diào)旋鈕使樣品逼近微探針：順時針旋細(xì)調(diào)旋鈕，直至光斑突然向PSD移動。（4）緩慢地逆時針調(diào)節(jié)細(xì)調(diào)旋鈕并觀察機(jī)箱上反饋?zhàn)x數(shù)：Z反饋信號約穩(wěn)定在之間（不單調(diào)增減即可），就可以開始掃描

5、樣品。（5）讀數(shù)基本穩(wěn)定后，打開掃描軟件，開始掃描。（6）掃描完畢后，逆時針轉(zhuǎn)動細(xì)調(diào)旋鈕退樣品，細(xì)調(diào)要退到底。再逆時針轉(zhuǎn)動粗調(diào)旋鈕退樣品，直至下方平臺伸出1厘米左右。（7）實(shí)驗(yàn)完畢，依次關(guān)閉：激光器-高壓電源-控制機(jī)箱（8）處理圖像，得到粗糙度五數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)的圖像結(jié)果如下，樣品為A4紙。二維圖像形貌：三維圖像形貌：數(shù)據(jù)結(jié)果為： 粗糙度 掃描范圍 圖像大小 六誤差分析該實(shí)驗(yàn)主要是觀察掃描圖像，沒有理論值可以比較，但從實(shí)驗(yàn)原理講還是存在一定的誤差。首先，實(shí)驗(yàn)中不能保證儀器處于完全靜止?fàn)顟B(tài)，任何微小振動，比如說話和走動，都能引起圖像上出現(xiàn)一道裂縫，所以實(shí)驗(yàn)圖像不可能完全平整。圖像的精細(xì)程度與掃描的取

6、樣次數(shù)有很大關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中為了縮短掃描時間，取樣數(shù)設(shè)置的不是很高，所以實(shí)驗(yàn)圖像不是很清晰，如果把取樣次數(shù)調(diào)高，那么得到的圖像紋理就會很清晰。七思考題（1）AFM探測到的原子力的由哪兩種主要成分組成？答：一種是吸引力即范德瓦耳斯力，另外一種是電子云重疊而引起的排斥相互作用。（2）怎樣使用AFM，才能較好地保護(hù)探針？答：仔細(xì)調(diào)節(jié)接觸距離，首先進(jìn)行粗調(diào)，不要讓探針壓迫樣品，保持探針與樣品1mm，然后進(jìn)行細(xì)調(diào)細(xì)調(diào)的時候觀察反射的斑點(diǎn)，以保證探針不壓迫樣品。（3）原子力顯微鏡有哪些應(yīng)用？答：原子力顯微鏡可以在真空，超高真空，氣體，溶液，電化學(xué)環(huán)境，常溫和低溫等環(huán)境下工作，在研究時可選擇適當(dāng)?shù)沫h(huán)境。在物理學(xué)

7、上，AFM可以用于研究金屬和半導(dǎo)體的表面形貌、表面重構(gòu)、表面電子態(tài)及動態(tài)過程,超導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)和電子態(tài)層狀材料中的電荷密度等。另外原子力顯微鏡在摩擦學(xué)中的有許多應(yīng)用，如納米摩擦、納米潤滑、納米磨損、納米摩擦化學(xué)反應(yīng)和機(jī)電納米表面加工等。（4）與傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡相比，掃描探針顯微鏡的分辨本領(lǐng)主要受什么因素限制？答：傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡存在衍射極限，即只能分辨光波長或電子波長以上線度的結(jié)構(gòu)。而掃描探針顯微鏡的分辨本領(lǐng)主要取決于：探針針尖的尺寸；微懸臂的彈性系數(shù)，彈性系數(shù)越低，AFM越靈敏；懸臂的長度和激光光線的長度之比；探測器PSD對光斑位置的靈敏度。對于分辨率一定的圖像，掃描范

8、圍越小，獲得的表面形貌越精細(xì)。（5）要對懸臂的彎曲量進(jìn)行精確測量，除了在AFM中使用光杠桿這個方法外，還有哪些方法可以達(dá)到相同數(shù)量級的測量精度？答：可采用電學(xué)方法。隧道電流法根據(jù)隧道電流對電極間距離非常敏感的原理，將SIM用的針尖置于微懸臂的背面作為探測器，通過針尖與微懸臂間產(chǎn)生的隧道電流的變化就可以檢測由于原子間相互作用力令微懸臂產(chǎn)生的形變。八實(shí)驗(yàn)心得首先要保持樣品的清潔，ATM是比較精密的儀器，如果用手觸摸樣品，留下油漬，那么在圖像中會反映出來，影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其次AFM 的針尖是整個儀器最脆弱的部分，一碰即斷，所以應(yīng)該防止一切物體與針尖直接接觸。實(shí)驗(yàn)過程中針尖容易損壞的環(huán)節(jié)主要是進(jìn)針的時候。本