南京大學(xué)-原子力顯微鏡實驗報告

PAGEPAGE5原子力顯微鏡實驗報告一．實驗?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．實驗原理1．AFM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,測得微懸臂對應(yīng)于掃描各點的位置變化,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。本實驗采用接觸模式：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度，為所取的輪廓偏距數(shù)。微觀不平度十點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．實驗裝置分辨率一定的圖像，掃描范圍越小，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．實驗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，影響了實驗結(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。實驗過程中針尖容易損壞的環(huán)節(jié)主要是進(jìn)針的時候。本實驗實驗時針尖已安裝好，所以在裝樣品和粗調(diào)是不要碰到尖針。在實驗過程中，桌面的震動會是掃描