2015年秋季学期研究生课程考核
（读书报告、研究报告）
考核科目:原子力显微镜的工作原理及基本操作学生所在院（系）:
学生所在学科:
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学生类别:应用型
考核结果阅卷人
原子力显微镜的工作原理及基本操作
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、原子力显微镜结构及工作原理
2.1 AFM的工作原理
AFM是用一个一端装有探针而另一端固定的弹性微悬臂来检测样品表面信息的，当探针扫描样品时，与样品和探针距离有关的相互作用力作用在针尖上，使微悬臂发生形变。

AFM系统就是通过检测这个形变量，从而获得样品表面形貌及其他表面相关信息
1.原子力作用机制
当两个物体的距离小到一定程度的时候，它们之间将会有原子力作用．这个力主要与针尖和样品之间的距离有关．从对微悬臂形变的作用效果来分，可简单将其分为吸引力和排斥力，它们分别在不同的工作模式下、不同的作用距离起主导作用．探针与样品的距离不同，作用力的大小也不相同，针尖/样品距离曲线如图1所示．
图1 针尖/样品距离曲线
2.原子力显微镜的成像原理
AFM的微悬臂绵薄而修长，当对样品表面进行扫描时，针尖与样品之间力的作用会使微悬臂发生弹性形变，针尖碰到样品表面时，很容易弹起和起伏，它非常的灵敏，极小的力的作用也能反应出来．也就是说如果检测出这种形变，就可以知道针尖－样品间的相互作用力，从而得知样品的形貌。

图2 光束偏转法的原理图
微悬臂形变的检测方法一般有电容、隧道电流、外差、自差、激光二极管反馈、偏振、偏转方法。

偏转方法是采用最多的方法，也是原子力显微镜批量生产所采用的方法．图2就是光束偏转法的原理图。

3.原子力显微镜的工作模式
AFM主要有三种工作模式:接触模式(ContactMode)、非接触模式(Non－contact Mode)和轻敲模式( Tapping Mode)，如图3．
图3 三种工作模式
接触模式中，针尖一直和样品接触并在其表面上简单地移动．针尖与样品间的相互作用力是两者相接触原子间的排斥力，其大小约为10-8～10-11N。

非接触模式是控制探针一直不与样品表面接触，让探针始终在样品上方5～20nm 距离内扫描．因为探针与样品始终不接触，故而避免了接触模式中遇到的破坏样品和污染针尖的问题，灵敏度也比接触式高，但分辨率相对接触式较低，且非接触模式不适合在液体中成像。

轻敲模式是介于接触模式和非接触模式之间新发展起来的成像技术，类似与非接触模式，但微悬臂的共振频率的振幅相对非接触模式较大，一般在0.01～1nm．分辨率几乎和接触模式一样好，同时对样品的破坏也几乎完全消失，克服了以往常规模式的局限。

4.原子力显微镜的构成
SPA－300HV型显微镜主要包括以下四个系统: 减震系统、头部系统、电子学控制系统、计算机软件系统(图4为结构图)。

图4 原子力显微镜结构图
三、原子力显微镜的应用
以STM和AFM为基础发展起来的SPM可以对被测样品表面及近表面区域的物理特性在原子级分辨率的水平上进行探测.AFM是利用样品表面与探针之间力的相互作用这一物理现象,因此不受STM等要求样品表面能够导电的限制,可对导体进行探测,对于不具有导电性的组织、生物材料和有机材料等绝缘体,AFM同样可得到高分辨率的表面形貌图像,从而使它更具有适应性,更具有广阔的应用空间.此外,AFM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,可供研究时选择适当的环境,其基底可以是云母、硅、高取向热解石墨、玻璃和金等。

AFM已被广泛地应用于表面分析的各个领域,通过对表面形貌的分析、归纳、总结,以获得更深层次的信息。

1.原子力显微镜在电化学中的应用
现场STM在电化学中应用很广泛，但在实际实验操作时存在法拉第电流等影响，化学工作者们希望通过努力将AFM应用于现场电化学中，因为AFM在水或电解质溶液等电化学环境下工作稳定．
2.原子力显微镜在生命科学中的应用
AFM 是生命科学研究中的有力工具，凭着自身的优势在生物学中迅速地发展．
3.原子力显微镜在物理学中的应用
AFM 在物理学中，主要应用于研究半导体和金属的表面重构、表面形貌、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的电荷密度等．。