中南大学近代物理实验报告-原子力显微镜实验报告

1、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（10-810-6 N），微悬臂会发生微小的弹性形变。针尖和样品

2、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

3、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。当针尖与样品表面原子相互靠近时，它们先互相吸引，随着两者间距继续减小，两者之间的排斥力将开始抵消吸引力，直到间距为几个埃时，

4、两个力达到平衡。间距更小时，两者之间以排斥力为主。如果让针尖与样品处于不同的间距，则可使AFM处于不同的工作模式。AFM的工作模式主要有接触模式（Contact Mode）、非接触模式（Non-Contact Mode）和轻敲模式（Tapping Mode）。根据样品表面不同的结构特征和材料的特性以及不同的研究需要，选择合适的工作模式。 图2 针尖与样品表面原子间的范德瓦尔斯力与距离关系曲线三，仪器本实验选用的仪器是Solver P47型多模式扫描探针显微镜。样品相对于探针的横向扫描，由计算机通过D/A接口控制扫描电路实现，在扫描过程中，为使探针与样品保持一定的纵向间距，引入了反馈控制电路系统

5、。图12 Solver P47型多模式扫描探针显微镜在恒力模式下：光电与计算机软硬件系统，将扫描得到与样品形貌对应的反射光点的位置信号，转变成电流信号，再经电流电压转换、前置放大、加减、乘除等模拟运算，通过AD接口输入计算机。计算机根据取得的信号大小，通过D/A接口输出相应的反馈信号，控制步进马达的Z向运动，从而控制样品与针尖之间的间距，使之保持恒定，即保持原子力大小不变。根据Z向运动的变化情况，可以最终获得样品表面的三维微观形貌。 系统软件分为两部分：图像扫描部分和图像处理部分。图像扫描部分，软件可对扫描速度、反馈增益等进行实时调整。扫描获得的图像可在显示框内实时地重复显示。在图像处理部分，

6、可将图像作平面显示、三维立体显示，实现图像的着色、平滑、裁剪等处理。 在获得被测样品的AFM图像后，用鼠标在图像中拾取一区域，计算机将读取该区城内所有的信息点，并根据面粗糙度公式计算该区域的Ra、Rq值，从而获得相应区域的微观几何尺寸 。四，数据表格及数据处理 1实验图像 表面2D图 表面3D图1实验数据及其统计STM NT-MDT v8.70 Page: 4/4File : 531P 30-May-2004 16:21SCAN : Height Direction=+X+FBin : MAG FBGain= 1.300SPnt = 5.036 nA BiasV = 0.000 vVEL =

7、66000 A/s Time = 69.79 sStep = 104.0 A NX= 256 NY= 256ADC: x1, LP(kHz)=12.0, Aver= 1Modulation: Probe189.245 kHz, 0.172v, x1 , Phase= 0SD: >NF , Harmonic=1 , Gain=2.0 Surface : 2043.5 nM x 2045.5 nM Peak to peak, Rmax = 52.497 nM Mean , Rmean= 29.184 nM Roughness , Ra = 5.965 nM Root-Mean-Sq, Rq = 7.523 nM Skewness , Rsk = 0.008 Kurtosis , Rku = 3.072 五，分析和讨论实验结果在本实验中，我们不止做了一次实验，而是不停地调节实验材料的被测位置，以达到理想效果，从而表现出材料真实的表面状态。在实验中，发现如果有