afm原子力显微镜技术及应用实验报告

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1、原子力显微技术观测薄膜形貌姓名：吴涵颖学号：5404312065班级：工业工程122一、实验目的：I、学习和了解AFM的结构和原理。II、掌握AFM的操作和调试过程，并以之来观察薄膜表面的形貌。III、学习用计算机软件来处理原始数据图像。二、实验原理简析：1.AFM基本原理原子力显微镜的工作原理就是将探针装在一弹性微悬臂的一端，微悬臂的另一端固定，当探针在样品表面扫描时，探针与样品表面原子间的排斥力会使得微悬臂轻微变形，这样，微悬臂的轻微变形就可以作为探针和样品间排斥力的直接量度。一束激光经微悬臂的背面反射到光电检测器，可以精确测量微悬臂的微小变形，这样就实现Y通过检测样品与探针之间的原子排

2、斥力来反映样品表面形貌和其他表面结构。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。如图一显示。(1)力检测部分在原子力显微镜系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。使用微悬臂来检测原子之间力的变化量。如图2所示，微悬臂通常由一个一般100〜500um长和大约500nm〜5um厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品一针尖间的相互作用力。(2)位置检测部分在原子力显微镜系统中，当针尖与样品之间有了作用之后，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统屮是依

3、靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作信号处理。聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位罝检测器，通过对落在检测器四个象限的光强进行计算，可以得到由于表面形貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到样品表面的不同信息。(1)反馈系统在原子力显微镜系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。2.AEM有三种不同的I:作模式：接触模式(contactmode)、非接触模式(noncontactmode)和共振模式或轻敲模式(TappingMode)。

4、(1)接触模式：从概念上来理解，接触模式是AFM最直接的成像模式。AFM在整个扫描成像过程之屮，探针针尖始终与样品表面保持亲密的接触，而相互作用力是排斥力。扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范围在10-10〜10-6N。若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，便不宜选用接触模式对样兄表面进行成像。(2)非接触模式非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方5〜10™的距离处振荡。这时，样品与针尖之间的相互作用由范徳华力控制，通常为10-12N,样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体的表面。这种操作模式的不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模

5、式十分网难。因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一小小的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而増加尖端对表面的压力。(3)敲击模式在敲击模式中，一种恒定的驱使力使探针悬臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样品时，悬臂振幅会减少到某一数值。在扫描过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定，亦即作用在样品上的力恒定，通过记录压电陶瓷管的移动得到样品表面形貌图。对于接触模式，由于探针和样品间的相互作用力会引起微悬臂发生形变，也就是说微悬臂的形变作为样品和针尖相互作用力的直接度量。同上述轻敲式，反馈系统保持针尖一样品作用力恒定从而得到表面形貌图。原子力显微镜是用微小探针“摸索”

6、样品表面来获得信息，所以测得的图像是样品最表面的形貌，而没冇深度信息。扫描过程中，探针在选定区域沿着样品表面逐行扫描。实验扫描的是光栅，纳米铜微粒以及纳米微粒，选用的是轻敲式。敲击模式优点：敲击模式在一定程度上减小样品对针尖的粘滞现象，因为针尖与样品表面接触时，利用其振幅来克服针尖"样品间的粘附力。并且由于敲击模式作用力是垂直的，表面材料受横向摩檫力和剪切力的影响都比较小，减小扫描过程屮针尖对样品的损坏。所以对于较软以及粘性较大的样品，应选用敲击模式。三、实验步骤：一、实验前准备.•①样品制备1)薄膜样品制备把之前实验制备得的铜微粒纳米材料分散到溶剂中，比较稀的状态下，然后涂于解离后的云母片

7、上，自然晾干。2)纳米微粒制备把纳米微粒材料分散到溶剂中，比较稀的状态下，然后涂于解离后的云母片上，自然晾干。3）光盘光栅制备对于光盘光栅的样品获取，釆用胶纸法。先把两面胶纸粘贴在样品光盘上，在贴上样品座，在将样品座抠下来，保证表面的光滑和无杂质。②调光和寻共振峰1）粗调探测头部上方俩个旋钮，让激光光斑大约打在基座上。2）调探测尖部上方某个旋钮，让光斑打在悬臂范围内。再调节另一端旋钮,同方向移动看四象限接收器