原子力显微镜实验指导书.doc.doc

实验报告 课程名称： 光信息综合实验 指导老师：__________________ 成绩：__________________ 实验名称： 基于AFM的微纳米性能测试实验 实验类型：综合型 同组学生姓名：__________ 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 实验目的和要求 本实验的目的是学习了解原子力显微镜（AFM）的基本原理，掌握基于位置敏感元件（PSD）及光束偏转法的原子力探测方法，学习掌握AFM仪器的组成部分及主要性能，要求掌握AFM的主要操作方法，利用AFM对几种典型样品进行微纳米扫描检测，获得样品表面的三维微结构图像，并对图像结果进行统计和分析。 实验内容和原理 1．实验原理 AFM的基本原理基于探针与样品之间的原子力作用机制。当微探针在Z向逼近样品表面时，探针针尖的原子与样品原子之间将产生一定的作用力，即原子力，大小约在10-8 ～10-12 N之间。用如此微弱的原子力推动探针，探针本身应该非常细小（相对而言，STM的探针或针尖整体是较大和较重的）；同时，这一探针必须固定在某一十分灵敏的弹性片上，以使作为传感器的弹性片在原子力作用下产生偏转，该弹性片就是通常所说的微悬臂（Cantilever），图1。 AFM的探针，包括“V”字形或直条形微悬臂和集成在微悬臂外端的金字塔形微针尖两部分。一般而言，当探针充分逼近样品进入原子力状态时，如两者间距相对较远，总体表现为吸引力；当两者相当接近时，则总体表现为排斥力。原子力变化的梯度约为10-13 N/nm。原子力虽然很微弱，但是足以推动极为灵敏的微悬臂并使之偏转一定的角度。因此，微悬臂的偏转量与探针—样品间距成对应关系。 图2所示为AFM的基本原理图，当探针与样品进入原子力状态时，因原子力作用，微悬臂产生偏转。此时对样品进行XY扫描，微悬臂的偏转量随样品表面的起伏而变化。检测这一偏转量，即可获得样品表面的微观形貌。 2．实验内容 （1）设备连接 按照图3、图4所示布置并连接好整个系统。 （2）光路的调节 调整激光器，使其出射的光聚焦并准确照射在微探针（微悬臂）的背面。 （3）不同样品的微纳米性能的扫描检测 物体表面三维微结构的测量 光栅的纳米周期的测定 光学薄膜的纳米颗粒大小的测定 物体表面粗糙度测定 （4） 图像捕获及软件处理 （5）性能分析 实验名称： 基于AFM的微纳米性能测试实验 姓名：_____________学号：________________ 主要仪器设备 AFM实验系统的实物图如图3所示，主要有AFM探头，高低压电源控制机箱及电脑系统等。 其系统框图如图4所示。 四、操作方法与实验步骤 实验数据记录和处理 实验结果与分析 实验名称： 基于AFM的微纳米性能测试实验 姓名：_____________学号：________________ 七、讨论、心得 装 订 线 专业：________________ 姓名：________________ 学号：________________ 日期：________________ 地点： 光电实验中心 P. 装 订 线 P. 图4 AFM仪器系统整体框图 ( ( ( Laser PSD (I ( ( ( ( ( Sample Tip Scanner (I Feedback VY VX VZ Z 高压 放大器 低压 放大器 Y X 偏转量 微悬臂 原子力 切向力 针尖 样品 （a） （b） 图2 AFM的基本工作原理 图1 AFM的微悬臂(探针)形式 （探针） 图 7.5 AFM的微悬臂(探针)模式图 微悬臂 探针 探针 探针 装 订 线 A/D D/A 高压 放大器 积分器 比较 放大器 Vref ( 前置 放大器 图3 AFM系统的实物照片