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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（10-8～10-6 N），微悬臂会发生微小的弹性形变。
针尖和样品之间的力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。
原子力显微镜的应用和进展摘要：从原子力显微镜诞生以来，由于其在表面观测上的高分辨率以及对表面的要求较低，这项技术被广泛的应用于科研的各个领域，极大的促进了各学科的发展。
由于这项技术的重要性，在其诞生之后就一直被改进以满足不同学科不同场合的需求。
本文从具体原子力实验出发概述原子力显微镜的应用以及改进方案。
关键词：原子力显微镜 压电微悬臂 敲击式AFM 探针功能化1 引言1996年Binning 及其合作者在扫描隧道显微镜的基础上发明了AFM ，它是利用原子、分子间的相互作用力(主要范德瓦尔斯力，价键力，表面张力，万有引力，以及静电力和磁力等)来观察物体表面微观形貌的新型实验技术。
在这项表面观测技术发明以来已经被各学科所采纳、改进，以适应不同学科不同工作环境的需求。
比如在生物及医学研究中要求不能对活体细胞产生太大影响，要求力更小以免对膜有破坏作用，同时也要求原子力显微镜的扫描更快，更方便以适应更多学科对它的需求，最好能实现更好的自动化，同时最好能应用于不同的环境。
但现在而言原子力显微镜对环境的要求还是很高的，所以对原子力显微镜的改进也是件十分有意义的工作。
现在有的一个想法是对原子力显微镜的微悬臂进行改造，用压电微悬臂[4]替代，这样直接利用压电微悬臂收集数据以替代激光放大。
另外，将原子力显微镜应用于生物和医学的研究，也提出了对探针进行功能化[5]的要求。
2 原子力实验简介2.1 实验原理AFM 探针和测试样品表面原子相互靠近时会产生原子间相互作用力，这种力使连接探针的微悬臂发生形变，而通过激光检测器和反馈系统调整样品在z 轴方向的位置，使得探针和样品间的作用力保持恒定，通过测量检测信号对应样品的扫描位置的变化，就可以得到测试样品表面形貌特征。
通常原子力显微镜AFM 有几种运行模式：在斥力或接触模式中，力的量级为1∽10ev/A （或910-∽810-N ）；在引力或非接触模式中，范德瓦耳斯力、交换力、静电力或磁力被检测。
6-5 原子力显微镜【实验简介】扫描隧道显微镜工作时要检测针尖和样品之间隧道电流的变化，因此它只能用于导体和半导体的研究。
而在研究非导电材料时必须在其表面覆盖一层导电膜。
导电膜的存在往往掩盖了样品表面结构的细节。
为了弥补扫描隧道显微镜的这一不足，1986年宾尼希等发明了第一台原子力显微镜AFM（atomic force microscopy）。
原子力显微镜不仅可以在原子水平测量各种表面形貌，而且可用于表面弹性、塑性、硬度、摩擦力等性质的研究。
【实验目的】1.学习和了解原子力显微镜的结构和原理；2.学习扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观察样品的表面形貌；【实验原理】1.原子力显微镜与STM不同，原子力显微镜测量的是针尖与样品表面之间的力。
将微小针尖放在悬臂的一端，当针尖与样品间距小到一定程度时，由于针尖与样品的相互作用（引力、斥力等），使悬臂发生弯曲形变。
如图使样品与针尖之间作扫描运动，测量悬臂的形变位移，即可得到图6-5-1 原子力显微镜示意图样品表面的形貌信息。
由于微悬臂的位移很小，对它的测量是一个关键技术。
最早发明者宾尼希等人利用隧道电流对间距的敏感性来测量悬臂的位移，但由于隧道效应对悬臂的功函数（由于污染等原因）变化同样敏感，所以稳定性较差。
现在大多数均采用光学方法或电容检测法。
本实验采用光图6-5-2 原子力显微镜光路图束偏转检测方法，如图2所示。
激光束经微悬臂背面反射、再经平面反射镜至四相限接受器，当微悬臂弯曲时激光束在接受器上的位置将发生移动，由四象限接受器检测出悬臂弯曲位移，便可得到样品的表面形貌。
2.轻敲模式成象技术常规的接触模式扫描由于针尖对样品的作用力较大，会在软样品表面形成划痕，或使样品变形，对粉体颗粒样品，会使样品移动，或将样品碎片吸附在针尖上，分辨率较差，而理想的非接触模式由于工作程短，又是难于有效实施的。
轻敲扫描模式的特点是在扫描过程中由压电驱动器将微悬臂激发到共振振荡状态，针尖随着悬臂的振荡，极其短暂地与样品表面进行接触，同时由于针尖与样品的接触时间非常短，因此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失，可以清晰观测完好的表面结构而不受表面高度起伏的影响。
实验：利⽤原⼦⼒显微镜测量半导体薄膜表⾯的粗糙度实验：利⽤原⼦⼒显微镜测量半导体薄膜表⾯的粗糙度[实验⽬的]1、学习和了解原⼦⼒显微镜的原理和结构；2、学习掌握原⼦⼒显微镜的操作和调试过程，并以之来观察半导体样品的表⾯形貌；3、学习⽤计算机软件处理原始数据图象。
[实验仪器]本原CSCM4000型扫描探针显微镜，原⼦⼒探针等[实验原理]⼀、原⼦⼒显微镜原⼦⼒显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由IBM公司的Binnig与史丹佛⼤学的Quate于⼀九⼋五年所发明的，其⽬的是为了使⾮导体也可以采⽤扫描探针显微镜（SPM）进⾏观测。
原⼦⼒显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最⼤的差别在于并⾮利⽤电⼦隧道效应，⽽是利⽤原⼦之间的范德华⼒（Van Der Waals Force）作⽤来呈现样品的表⾯特性。
假设两个原⼦中，⼀个是在悬臂（cantilever）的探针尖端，另⼀个是在样本的表⾯，它们之间的作⽤⼒会随距离的改变⽽变化，其作⽤⼒与距离的关系如“图1”所⽰，当原⼦与原⼦很接近时，彼此电⼦云斥⼒的作⽤⼤于原⼦核与电⼦云之间的吸引⼒作⽤，所以整个合⼒表现为斥⼒的作⽤，反之若两原⼦分开有⼀定距离时，其电⼦云斥⼒的作⽤⼩于彼此原⼦核与电⼦云之间的吸引⼒作⽤，故整个合⼒表现为引⼒的作⽤。
若以能量的⾓度来看，这种原⼦与原⼦之间的距离与彼此之间能量的⼤⼩也可从Lennard –Jones的公式中到另⼀种印证。
从公式中知道，当r降低到某⼀程度时其能量为+E，也代表了在空间中两个原⼦是相当接近且能量为正值，若假设r增加到某⼀程度时，其能量就会为-E同时也说明了空间中两个原⼦之间距离相当远的且能量为负值。
不管从空间上去看两个原⼦之间的距离与其所导致的吸引⼒和斥⼒或是从当中能量的关系来看，原⼦⼒显微镜就是利⽤原⼦之间那奇妙的关系来把原⼦样⼦给呈现出来，让微观的世界不再神秘。
在原⼦⼒显微镜的系统中，是利⽤微⼩探针与待测物之间交互作⽤⼒，来呈现待测物的表⾯之物理特性。
原子力显微镜实验报告实验目的：本次实验旨在通过原子力显微镜对样品进行观测和分析，了解原子力显微镜的工作原理和应用。
实验仪器和材料：1. 原子力显微镜。
2. 样品。
3. 扫描探针。
4. 电脑及相关软件。
实验步骤：1. 将样品固定在样品台上，调整原子力显微镜的位置和参数。
2. 启动原子力显微镜软件，对样品进行扫描。
3. 观察扫描得到的图像，分析样品的表面形貌和结构特征。
实验结果：通过原子力显微镜观察，我们成功地获得了样品表面的高分辨率图像。
图像清晰地显示出样品表面的原子排列和微观结构，为我们提供了宝贵的信息和数据。
实验分析：原子力显微镜是一种非常强大的工具，可以实现对样品表面的原子尺度的观测和分析。
通过调整扫描参数，我们可以获取不同分辨率的图像，从而揭示样品表面的微观结构和性质。
这对于材料科学、纳米技术等领域具有重要的应用意义。
实验总结：本次实验通过原子力显微镜的操作，使我们对其工作原理和应用有了更深入的了解。
原子力显微镜的高分辨率、高灵敏度和非破坏性的特点，使其成为材料科学和纳米技术研究中不可或缺的工具。
通过实验，我们对原子力显微镜的操作技能和样品表面的观测能力得到了提高。
在今后的学习和科研工作中，我们将进一步掌握原子力显微镜的原理和技术，不断拓展其在材料科学、生物医学等领域的应用，为科学研究和技术创新做出更大的贡献。
结语：通过本次实验，我们对原子力显微镜有了更深入的了解，实验结果也为我们提供了宝贵的数据和信息。
相信在今后的学习和科研工作中，我们将能够更好地运用原子力显微镜这一强大的工具，取得更多的成果。
愿我们在科学研究的道路上不断前行，探索出更多的奥秘，为人类的发展进步贡献自己的力量。
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。
数据处理：测量次数为6次，则x = n≈1；则A 类分量的不确定度∆A =σ=N i ——N 6i=1 2k −1;则槽宽∆A D =15..71槽深∆A h =4.10 条宽∆A d =79.49而在此仪器的测量中，∆B =0.5nm∆= σ2 + ∆B 2;则∆ D =15.71； ∆ h =4.11； ∆ d =79.49；其相对不确定度为：槽宽D ：15.71/491.33=3.12%槽深h:4.11/89.11=4.6%条宽d =79.49/1331.67=5.9%测量的数据可写为：槽宽D=491.333+− 15.71nm ；槽深h=89.11+−4.11nm ；条宽d=1331.67+−79.49nm实验总结：通过本次实验我了解了利用保持原子之间的相互作用力一定的基础上，利用探头位移的空间变化来表现样品微观表面的原理，通过这次实验也让我重温了一次不确定度得概念。
思考题：原子力显微镜的工作原理是什么？原子力显微镜的工作原理：原子力显微镜（ AFM ）的原理是利用针尖与样品表面原子间的微弱作用力来作为反馈信号，维持针尖——样品间作用力恒定，同时针尖在样品表面扫描，从而得知样品表面的高低起伏。
AFM的工作原理是将一个对微弱力非常敏感的微悬臂一端固定，另一端装上探针，针尖与样品表面轻轻接触，针尖尖端原子与样品表面原子间极微弱的排斥力使微悬臂向上弯曲。
通过检测微悬臂背面反射出的激光光点在光学检测器上的位置变化，可以转换成力的变化，因为反射光点的位置变化或微悬臂弯曲变化与力的变化成正比。
微悬臂的弯曲是多种力的共同作用结果，其中最普遍的是范得瓦尔力，针尖与样品表面微小的距离变化就能产生不同大小的范得瓦尔力。
通过控制针尖在扫描中这种力的恒定，测量针尖纵向的位移量，就可获得样品表面的微观信息。
2、原子力显微镜主要的扫描模式是什么？各自的特点？AFM有两种工作模式：恒力模式和恒高模式。
在恒力模式中，通过精确控制扫描头随样品表面形貌变化在纵向上下移动，微持微悬臂所受作用力的恒定，从扫描头的纵向移动值得出样品表面的形貌像。
原子力显微镜实验报告实验目的：通过使用原子力显微镜（AFM），观察和探究不同材料表面的微观结构和特性，并了解原子力显微镜的工作原理和操作方法。
实验装置：1. 原子力显微镜（AFM）主机2. 电脑及相关软件3. 标准样品（金刚石、硅片等）4. 探针实验步骤：1. 准备工作：在实验开始之前，先对原子力显微镜进行充分的检查和准备。
确保设备的稳定性和可靠性。
2. 样品制备：准备不同材料的标准样品，包括金刚石、硅片等。
确保样品表面平整且无尘、无杂质。
3. 样品固定：将标准样品固定在样品支架上，并调整使其水平。
4. 调整参数：打开原子力显微镜软件，根据样品的特性调整相应的参数，包括扫描速度、采集点数等。
5. 探针连接：将探针连接到探针支架上，并轻轻放置在样品表面上。
6. 扫描图像：在计算机上选择扫描模式，并开始扫描样品表面。
观察扫描图像，利用软件工具进行放大、旋转等操作。
7. 数据分析：根据扫描图像进行数据分析，对不同材料的表面结构和特性进行解读和比较。
8. 实验总结：总结实验中观察到的现象和得到的结果。
探讨原子力显微镜在材料科学研究中的应用前景。
实验结果：实验中，我们成功使用原子力显微镜观察了金刚石和硅片的表面结构。
金刚石表面呈现出非常光滑的特性，可以清晰地观察到原子排列的规则性；而硅片表面由于其成分及制备工艺的不同，呈现出不同的纹理和形貌。
通过原子力显微镜的扫描图像，我们可以对不同材料的表面微观结构有深入的了解，并通过数据分析获得更多的材料性质信息。
实验总结：原子力显微镜作为一种重要的表面分析工具，在材料科学研究中起到了至关重要的作用。
它可以直接观察和探测材料表面的微观结构和特性，为材料设计和制备提供有力支持。
通过本次实验，我们对原子力显微镜的工作原理和操作方法有了更深入的了解，并且也能够熟练运用该技术进行样品表面扫描和数据分析。
原子力显微镜在材料科学领域的应用前景广阔，将对我们的科学研究和工程实践产生积极的影响。
AFM原子力显微镜技术及应用实验报告实验报告：AFM原子力显微镜技术及应用一、引言原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是一种基于原子力相互作用的显微镜技术，可以对样品表面进行高分辨率的观察和测量。
AFM与传统的光学显微镜和电子显微镜相比，具有更高的分辨率和更广泛的应用领域。
本实验旨在通过搭建AFM系统并对其进行操作，了解AFM的基本原理及应用。
二、仪器与实验方法1.仪器：AFM主机、扫描头、样品台、计算机。
2.实验方法：（1）接通仪器电源，打开电脑并运行相应控制软件。
（2）安装样品到样品台上，并将样品台安装到扫描头上。
（3）调节扫描头的位置，使其与样品接触。
（4）在软件界面上选择扫描模式（常规模式、近场模式等）和扫描区域大小。
（5）开始扫描，观察样品表面的结构和形貌。
（6）根据需要对样品进行更高级别的测量和分析。
三、实验结果与分析在实验中，我们成功搭建了AFM系统，并对金属导电薄膜样品进行了观察和测量。
通过观察AFM扫描的图像，我们可以清晰地看到样品表面的结构和形貌。
AFM的工作原理是基于原子力相互作用，通过在微尖和样品表面之间施加压力，测量微尖的弯曲程度，并通过这种变化来计算出样品表面的结构。
AFM可以达到纳米级的分辨率，因此在纳米材料和生物样品的观察中具有广泛的应用。
此外，AFM还有许多其他的应用，例如：1.表面形貌观察：AFM可以观察和测量各种材料的表面形貌，包括晶体、纳米粒子、生物大分子等。
2.材料力学性质研究：AFM可以通过在微尖和样品之间施加力来测量样品的力学性质，如硬度、弹性和粘性。
3.薄膜厚度测量：通过测量在薄膜表面的高度变化，可以准确地测量出薄膜的厚度。
4.均匀性分析：通过AFM可以检测材料表面的均匀性，并帮助改进制备工艺。
5.生物学研究：AFM可以用于观察生物大分子的形貌和结构，甚至可以测量细胞的力学性质。
四、结论通过本次实验，我们成功地搭建了AFM系统，并了解了它的基本原理及应用。
南京大学物理系实验报告题目实验10.5 原子力显微镜姓名朱瑛莺2014年3月14日学号111120230一、引言以光学显微镜、电子显微镜、扫描隧道显微镜为代表的一系列先进显微技术的出现与应用,为人类科技和社会进步做出了巨大贡献。
1986 年，IBM 公司的G.Binning 和斯坦福大学的C.F.Quate 及C. Gerber 合作发明的原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)[1]更是突出地显现了显微观测技术作为人类视觉感官功能的延伸与增强的重要性，它是在扫描隧道显微镜基础上为观察非导电物质经改进而发展起来的分子和原子级显微工具。
对比于现有的其它显微工具，原子力显微镜以其高分辨、制样简单、操作易行等特点而备受关注，并已在生命科学、材料科学等领域发挥了重大作用，极大地推动了纳米科技的发展，促使人类进入了纳米时代。
二、实验目的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。
三、实验原理1.AFM（1）AFM的工作原理在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 = KΔZΔZ 表示针尖相对于试样间的距离, K 为Can2tilever 的弹性系数，力的变化均可以通过Cantilever 被检测。
（2）AFM关键部位：AFM关键部份是力敏感元件和力敏感检测装置。
所以微悬臂和针尖是决定AFM灵敏度的核心。
为了能够准确地反映出样品表面与针尖之间微弱的相互作用力的变化,得到更真实的样品表面形貌,提高AFM 的灵敏度,微悬臂的设计通常要求满足下述条件: ①较低的力学弹性系数,使很小的力就可以产生可观测的位移; ②较高的力学共振频率; ③高的横向刚性,针尖与样品表面的摩擦不会使它发生弯曲; ④微悬臂长度尽可能短;⑤微悬臂带有能够通过光学、电容或隧道电流方法检测其动态位移的镜子或电极; ⑥针尖尽可能尖锐。
(3) AFM的针尖技术探针是AFM的核心部件。
如右图。
目前,一般的探针式表面形貌测量仪垂直分辨率已达到0.1 nm ,因此足以检测出物质表面的微观形貌。
普通的AFM 探针材料是硅、氧化硅或氮化硅(Si3N4 ) ,其最小曲率半径可达10 nm。
由于可能存在“扩宽效应”,针尖技术的发展在AFM中非常重要。
探针针尖的几何物理特性制约着针尖的敏感性及样品图像的空间分辨率。
因此针尖技术的发展有赖于对针尖进行能动的、功能化的分子水平的设计。
只有设计出更尖锐、更功能化的探针, 改善AFM 的力调制成像(force modulation imaging) 技术和相位成像(phase imaging)技术的成像环境,同时改进被测样品的制备方法,才能真正地提高样品表面形貌图像的质量。
(4) AFM的工作模式AFM 有三种不同的工作模式: 接触模式( contact mode) 、非接触模式(noncontact mode) 和共振模式或轻敲模式(Tapping Mode) 。
①接触模式接触模式包括恒力模式(constant2force mode) 和恒高(constant2height mode) 。
在恒力模式中过反馈线圈调节微悬臂的偏转程度不变,从而保证样品与针尖之间的作用力恒定,当沿x 、y 方向扫描时,记录Z 方向上扫描器的移动情况来得到样品的表面轮廓形貌图像。
这种模式由于可以通过改变样品的上下高度来调节针尖与样品表面之间的距离,这样样品的高度值较准确,适用于物质的表面分析。
在恒高模式中,保持样品与针尖的相对高度不变,直接测量出微悬臂的偏转情况,即扫描器在z 方向上的移动情况来获得图像。
这种模式对样品高度的变化较为敏感,可实现样品的快速扫描,适用于分子、原子的图像的观察。
接触模式的特点是探针与样品表面紧密接触并在表面上滑动。
针尖与样品之间的相互作用力是两者相接触原子间的排斥力,约为10 - 8 ～10 - 11N。
接触模式通常就是靠这种排斥力来获得稳定、高分辨样品表面形貌图像。
但由于针尖在样品表面上滑动及样品表面与针尖的粘附力,可能使得针尖受到损害,样品产生变形, 故对不易变形的低弹性样品存在缺点。
②非接触模式非接触模式是探针针尖始终不与样品表面接触,在样品表面上方5～20 nm 距离内扫描。
针尖与样品之间的距离是通过保持微悬臂共振频率或振幅恒定来控制的。
在这种模式中,样品与针尖之间的相互作用力是吸引力———范德华力。
由于吸引力小于排斥力,故灵敏度比接触模式高,但分辨率比接触式低。
非接触模式不适用于在液体中成像。
③轻敲模式在轻敲模式中,通过调制压电陶瓷驱动器使带针尖的微悬臂以某一高频的共振频率和0。
01～1 nm 的振幅在Z 方向上共振,而微悬臂的共振频率可通过氟化橡胶减振器来改变。
同时反馈系统通过调整样品与针尖间距来控制微悬臂振幅与相位,记录样品的上下移动情况,即在Z 方向上扫描器的移动情况来获得图像。
由于微悬臂的高频振动,使得针尖与样品之间频繁接触的时间相当短,针尖与样品可以接触,也可以不接触,且有足够的振幅来克服样品与针尖之间的粘附力。
因此适用于柔软、易脆和粘附性较强的样品,且不对它们产生破坏。
这种模式在高分子聚合物的结构研究和生物大分子的结构研究中应用广泛。
(5) AFM中针尖与样品之间的作用力AFM检测的是微悬臂的偏移量,而此偏移量取决于样品与探针之间的相互作用力。
其相互作用力主要是针尖最后一个原子和样品表面附近最后一个原子之间的作用力。
当探针与样品之间的距离d 较大(大于5 nm) 时,它们之间的相互作用力表现为范德华力(Van der Waals forces) 。
可假设针尖是球状的,样品表面是平面的,则范德华力随1Pd2 变化。
如果探针与样品表面相接触或它们之间的间距d 小于0。
3 nm ,则探针与样品之间的力表现为排斥力(Pauli exclusion forces) 。
这种排斥力与d13 成反比变化,比范德华力随d 的变化大得多。
探针与样品之间的相互作用力约为10 - 6 ～10 - 9N ,在如此小的力作用下,探针可以探测原子,而不损坏样品表面的结构细节。
简而言之，原子力显微镜的原理是：将一个对微弱力及其敏感的长为100-200微米的Si或Si3N4材料的微悬臂一端固定，另一端有一个针尖，针尖与样品表面轻轻接触，针尖尖端原子与样品表面原子间的及其微弱的作用力，使微悬臂发生弯曲，通过检测微悬臂背面反射出的红色激光光点在一个光学检测器上的位置的变化可以转换成力的变化（被反射激光点位置变化或是微悬臂梁弯曲的变化与力的变化成正比），通过控制针尖在扫描过程中作用力的恒定同时测量针尖纵向的位移量，从而最终还原出样品表面的形貌像。
四、实验步骤1、微探针的安装（已安装就绪）。
激光束及光斑的调节（已就绪）。
2、依次开启：电脑、控制机箱、高压电源、激光器。
2、安装样品。
松开螺丝，将样品卡进去，然后旋紧，注意不能碰到探针。
3、用粗调旋钮将样品逼近探针，相距小于1mm。
4、再用细挑旋钮使样品缓慢逼近探针，直到光斑突然移动。
说明样品与针尖的距离已经足够近到发生相互作用力。
5、缓慢回调细调旋钮并观察机箱读数至PSD信号约为1.6V，反馈信号约为-100到-200之间。
6、读数稳定之后，打开电脑上的扫描软件开始扫描。
存储扫下的第三张图片，并对其进行一定分析。
7、操作完毕时，细调反转到底，然后反转粗调退出样品。
按照打开的反顺序依次关闭所有仪器。
注意事项：1、操作中皆不可碰到探针，以免探针损坏。
在操作过程中也不要再看PSD光路，以免使光路不再对准。
2、调整型号到一定数值，是为了在扫描样品的时候探针正常工作，使扫描过程中信号也保持在一定范围内。
3、取第三张图是因为前两张因为不稳定不是很好，第三张左右开始稳定。
五、实验数据及分析1.A4纸片的二维表面形貌2、A4纸片的三维表面形貌3、A4纸片的粗糙度粗糙度Ra: 24.9 nm ; Ry: 235.4 nm ; Rz: 235.4 nm扫描范围X: 4000 nm ; Y: 4000 nm图像大小X: 400 pixel ; Y: 400 pixel4、分析数据通过对比同组同学做的其他样品的实验，如铜片和玻璃片。
A4纸片的表面起伏褶皱和粗糙度明显提高。
符合宏观上的观察结果。
对于表面粗糙度评定系数，附录有如下说明：1、 轮廓算术平均偏差Ra在取样长度L 内，轮廓偏转距绝对值的算术平均值。
11R ni i a y L ==∑ 2、 微观不平度十点高度在取样长度内五个最大的轮廓峰高的平均值与五个最大的轮廓谷深的平均值之和。
5511R 5pi vi i i z y y ==+=∑∑3．轮廓最大高度在取样长度内，轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离。
max max R y p v y y =+从图中及数据结果不难看出：Ra 变化很小，即轮廓算术平均偏差变化小，而 Ry 和 Rz 变化比较大，Ry 表示微观不平度，Rz 表示轮廓最大高度。
表示A4纸张表面轮廓虽然起伏比较大，有200nm 左右，但是起伏的算术平均值较小，起伏比较均匀，在一定范围内上下波动比较平均。
六、思考题1、AFM探测到的原子力的由哪两种主要成分组成？一种是分子间的吸引力即范德瓦耳斯作用力，第二种是电子云重叠而引起的排斥相互作用。
2、怎样适用男公关AFM和CCD光学显微镜，才能较好的保护探针？在实验过程中，特别是取放样品，调整粗调旋钮和细调旋钮的时候，不能碰到探针。
还有在调整细调旋钮时，注意观察PSD信号，信号变动就立即停止靠近。
扫描过程中，尽量不要产生外界扰动，以防探针撞上样品。
3、原子力显微镜有哪些应用？STM显微镜仅适用于与导体和半导体，而原子力显微镜AFM适用面更广。
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。
通过原子力显微镜对于材料表面形貌成像时，微悬臂探针与样品之间的作用力变化可反映样品表面的三维形貌。
