南京大学-原子力显微镜实验报告

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(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 K Z

=?

?表示针尖相对于试样间的距离, K为Cantilever的弹性系数，力的变化均可以通过Cantilever Z

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Ra ，微观不平度十点高度Rz ，轮廓最大高度Ry 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Ra 为取样长度轮廓偏距绝对值的算术平均值：

1

1||n

i i Ra y n ==∑ 其中i y 为基线中线的表面轮廓高度，n 为所取的轮廓偏距数。

微观不平度十点高度Rz 是指在取样长度的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

551115pi vi i i Rz y y ==??=+ ???

∑∑ 轮廓最大高度Ry 为取样长度轮廓峰顶线与轮廓谷底线之间的距离：

()max 0i i

pi vi Ry R i k R y y ?=≤≤??=+?? 式中,pi vi y y 分别为第i 个轮廓峰高和第i 个轮廓谷深，k 为取样长度的峰谷个数。

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：

--之间（不单调增减即可），就可以开始扫描样品。

Z反馈信号约稳定在100~200

（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：

Ra nm Ry nm Rz nm 数据结果为：粗糙度:6.8:85.4:85.4

X nm Y nm

扫描围:4000:4000

X pixel Y pixel

图像大小:400:400

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。