中南大学近代物理实验报告--原子力显微镜实验.docx

中南大学物理与电子学院近代物理实验报告实验名称:原子力显微镜实验指导老师:黄迪辉班级:物理升华1401学号:0901140504姓名:陈柯宇实验时间:2016年6月4日实验目的(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。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图1 AFM原理示意图接触，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）。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。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。当针尖与样品表面原子相互靠近时，它们先互相吸引，随着两者间距继续减小，两者之间的排斥力将开始抵消吸引力，直到间距为几个埃时，两个力达到平衡。间距更小时，两者之间以排斥力为主。如果让针尖与样品处于不同的间距，则可使AFM处于不同的工作模式。AFM的工作模式主要有接触模式（Contact Mode）、非接触模式（Non-Contact Mode）和轻敲模式（Tapping Mode）。根据样品表面不同的结构特征和材料的特性以及不同的研究需要，选择合适的工作模式。AFM三种工作模式的比较（1）接触模式接触模式是AFM的常规工作模式。如图3（a），在接触模式中，针尖始终和样品接触，以恒高或恒力的模式进行扫描。扫描过程中，针尖在样品表面滑动。通常情况下，接触模式都可以产生稳定的、分辨率高的图像。但是这种模式不适用于研究生物大分子、低弹性模量样品以及容易移动和变形的样品。（2）非接触模式在非接触模式中，针尖在样品表面的上方振动，始终不与样品接触，如图3（b），针尖探测器检测的是范德瓦尔斯力(Van der Waals forces)和静电力等对成像样品没有破坏的长程作用力。这种模式虽然增加了显微镜的灵敏度，但当针尖和样品之间的距离较大时，分辨率要比接触模式和轻敲模式都低。这种模式的操作相对较难，通常不适用于在液体中成像，在生物中的应用也很少。（3）轻敲模式在轻敲模式中，微悬臂在其共振频率附近做受迫振动，振荡的针尖轻轻地敲击样品表面，间断地与样品接触，如图3（c）。其分辨率和接触模式一样好，而且由于接触时间非常短暂，针尖与样品的相互作用力很小，通常为1pN（皮牛顿）～ 1nN（纳牛顿），剪切力引起的分辨率的降低和对样品的破坏几乎消失，所以适用于对生物大分子、聚合物等软样品进行成像研究，对于一些与基底结合不牢固的样品，轻敲模式与接触模式相比，很大程度地降低了针尖对样品表面结构的“搬运效应”。（a）针尖与样品不接触时，微悬臂以最大振幅自由振荡；（b）针尖与样品表面接触时，微悬臂的振幅减小3. 微悬臂形变的检测方法AFM是通过检测微悬臂形变的大小来获得样品表面的图像的，所以微悬臂形变检测至关重要。检测微悬臂形变的方式主要有以下几种：（1）隧道电流检测法；（2）电容检测法；（3）光学检测法；（4）压敏电阻检测法。由于针尖与样品之间的作用力为微悬臂的力常数和形变量的乘积，所以无论哪种检测方法，都应不影响微悬臂的力常数，而且对形变量的检测须达到纳米级以上。由于光束偏转法比较简单，而且技术上容易实现，所以目前在AFM仪器中应用最为普遍。下面将着重介绍这种方法的原理。光束偏转法的原理是将激光器发出的激光聚焦在微悬臂的背面，从具有反射面的微悬臂的背面反射进入位置灵敏的光电二极管检测器（Photodiode；Position Sensitive Detecto