原子力显微镜实验报告Word格式文档下载.docx
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本文阐述了原子力显微镜的结构、原理及应用，观察了样品的表面形貌，最后对本实验进行了讨论。
关键词：
原子力显微镜，导电ITO，表面粗糙度
1.引言
在当今的科学技术中，如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体，是一个重要的研究方向。
扫描隧道显微镜（STM）使人们首次能够真正实时地观察到单个原子在物体表面的排列方式和与表面电子行为有关的物理、化学性质。
STM要求样品表面能够导电，从而使得STM只能直接观察导体和半导体的表面结构。
为了克服STM的不足之处，推出了原子力显微镜（AFM）。
AFM是通过探针与被测样品之间微弱的相互作用力（原子力）来获得物质表面形貌的信息。
因此，AFM除导电样品外，还能够观测非导电样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖,其应用领域将更为广阔。
2.原子力显微镜结构及工作原理
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，如图1所示。
图1
三维表面形貌：
2）A4纸样品的表面形貌
粗糙度Ra:
9.4nm;
Ry:
150.0nm;
Rz:
150.0nm
扫描范围X:
4000nm;
Y:
4000nm
图像大小X:
400pixel;
400pixel
二维表面形貌：
三维表面形貌
：
3）Cu样品的表面形貌
11.7nm;
131.9nm;
131.9nm
4）Si样品的表面形貌
12.8nm;
420.5nm;
420.5nm
二维表面形貌
6.对实验的讨论
（1）AFM探测到的原子力的由哪两种主要成分组成？
吸引力即范德瓦耳斯力、电子云重叠而引起的排斥相互作用。
（2）原子力显微镜有哪些应用？
在物理学中，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材料中的电荷密度等。
从理论上讲，金属的表面结构可由晶体结构推断出，但实际上金属表面很复杂。
衍射分析方法已经表明，在许多情况下，表面形成超晶体结构（称为表面重构），可使表面自由能达到最小值，而借助AFM可以方便得到某些金属、半导体的重构图像。
AFM在高分子领域中的应用已由最初的聚合物表面几何形貌的观测，发展到深入高分子的纳米级结构和表面性能等新领域，并提出了许多新概念和新方法。
对高分子聚合物样品的观测,AFM可达纳米级分辨率，能得到真实空间的表面形貌三维图像，同时可以用于研究表面结构动态过程。
在生物学上，AFM比STM更易阐明脱氧核糖核酸、蛋白质、多糖等大分子结构，且有其独特的优势：
生物大分子样品不需要覆盖导电薄膜；
可在多种环境下直接实时观测；
图像分辨率高；
基底选择性强等。
除物理、化学、生物、等领域外，AFM在微电子学、微机械学、新型材料、医学等领域都有着广泛的应用和巨大的应用前景。
（3）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？
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。
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；
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
较高的力学共振频率
高的横向刚性，针尖与样品表面的摩擦不会使他发生弯曲
微悬臂长度尽可能短
微悬臂带有能够通过光学、电容、隧道电流方法检测其动态位移的镜子或电极
针尖尽可能尖锐
AFM仪器的发展也可以说是微悬臂和针尖不断改进的过程。
（4）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？
电学方法：
1.隧道电流检测法。
根据隧道电流对电极间距非常敏感的原理，将STM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检测由于原子间的相互作用力令微悬臂产生的形变。
2.电容法。
通过测量微悬臂与一参考电极间的电容变化来检测微弱力。
当微悬臂发生形变时，它与参考电极间的空间大小发生变化，即电容发生变化，通过测量该电容的变化量就可测量微悬臂的位移。
其他光学方法：
自差法、外差法和干涉法等。
7.参考文献
黄润生等.近代物理实验（第二版）.南京大学出版社.2008.4
白春礼.扫描隧道显微镜技术及其应用.上海：
上海科学技术出版社.1992
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