AFM原子力显微镜技术及应用实验报告（共五则）

第一篇：AFM原子力显微镜技术及应用实验报告

AFM原子力显微镜技术及应用实验报告

AFM原子力显微镜技术及应用实验报告

——指导老师：袁求理

近代 物 理 实 验 报 告

物理班实验小组2012年12月18日

AFM原子力显微镜技术及应用实验报告

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。除物理，化学生物等领域外，AFM在为微电子，微机械学，新型材料，医学等领域有着广泛的应用，以STM和AFM为基础，衍生出一系列的扫描探针显微镜，有激光里显微镜，磁力显微镜，扫描探针显微镜主要用于对物质表面在纳米线上进行成像和分析。

一、实验组员：

邵孙国（10072127）、周柬辉（10072137）、陈俊峰（10072122）、任寿良（10072126）。

二、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，并以之来观察样品表面的形貌。Ⅲ、学习用计算机软件来处理原始数据图像。

三、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，这样就实现了通过检测样品与探针之间的原子排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。

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（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100～500μm长和大约500nm～5μm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－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。在整个系统中是依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置检测器，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。

（3）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.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：

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中，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106 N。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品表面进行成像。（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 nm 的距离处振荡。这时，样品与针尖之间的相互作用由范德华力控制，通常为10-12 N，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式十分困难。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，从而增加尖端对表面的压力。

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（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—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”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，而没有深度信息。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，表面材料受横向摩擦力和剪切力的影响都比较小，减小扫描过程中针尖对样品的损坏。所以对于较软以及粘性较大的样品，应选用敲击模式。

四、实验步骤：

一、实验前准备： ①样品制备

1）铜微粒样品制备

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，采用胶纸法。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)调探测头部上方某个旋钮，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上是否有3个亮斑。通常选择中间亮斑进行调节。另外调节光斑使其移动到悬臂尖端，然后回调两旋钮使得亮斑最为光亮圆润。

3)调节探测头部侧面两个旋钮，通过软件调节使光斑基本打在四象限接收器中间。

4)将“自动扫描”和“起振”选项勾上，进行扫频操作。

5)寻峰的目的主要是选择可以使悬臂达到共振状态的激振频率，使悬臂达到共振状态来实现扫描。

二、实验中测量过程

1）依次开启：电脑-控制机箱-高压电源-激光器。2）用粗调旋钮将样品逼近微探针至两者间距<1 mm。

3）再用细调旋钮使样品逼近微探针：顺时针旋细调旋钮，直至光斑突然向

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PSD移动。

4）缓慢地逆时针调节细调旋钮并观察机箱上反馈读数：Z反馈信号约稳定在－150至 －250之间（不单调增减即可），就可以开始扫描样品。

5）读数基本稳定后，打开扫描软件，开始扫描。

6）扫描完毕后，逆时针转动细调旋钮退样品，细调要退到底。再逆时针转动粗调旋钮退样品，直至下方平台伸出1厘米左右。

7）实验完毕，依次关闭：激光器-高压电源-控制机箱。8）处理图像，得到尺寸。

五、实验结果：

（1）铜微粒的表面形貌 铜微粒测量结果如下：

铜微粒大小

小颗粒半径r= 6nm

颗粒堆半径R=11nm 扫描范围

X：10003 nm； Y：10003nm 图像大小

X：238 pixel；

Y：238 pixel 测量计算图：

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3D图：

（2）纳米微粒的表面形貌 纳米微粒测量结果如下：

纳米微粒大小

纳米微粒半径：r=7 扫描范围

X：10003 nm； Y：10003nm 图像大小

X：238 pixel；

Y：238 pixel

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测量计算图：

3D图：

（3）光盘光栅的表面形貌 光盘光栅测量结果如下：

光盘光栅大小 间距l=23*2=46nm 扫描范围

X：10003 nm； Y：10003nm

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图像大小

X：238 pixel；

Y：238 pixel 测量计算图：

3D图：

六、实验分析：

（1）AFM探测到的原子力的由哪两种主要成分组成？

一种是吸引力即范德瓦耳斯力；另外一种是电子云重叠而引起的排斥相互作用。

（2）怎样使用AFM，才能较好地保护探针？

仔细调节接触距离，粗调时，不要让指针压迫样品，保持1mm，扫描过程中保证探针不产生破坏性形变。

（3）原子力显微镜有哪些应用？

原子力显微镜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

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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。

另外原子力显微镜在摩擦学中的有许多应用，如纳米摩擦、纳米润滑、纳米磨损、纳米摩擦化学反应和机电纳米表面加工等。

在生物上，原子显微镜可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。观察细胞等等。

（4）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。而扫描探针显微镜的分辨本领主要取决于：探针针尖的尺寸；微悬臂的弹性系数，弹性系数越低，AFM越灵敏；悬臂的长度和激光光线的长度之比；探测器PSD对光斑位置的灵敏度。对于分辨率一定的图像，扫描范围越小，获得的表面形貌越精细。

（5）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？

可采用电学方法：

隧道电流法根据隧道电流对电极间距离非常敏感的原理，将SIM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以检测由于原子间相互作用力令微悬臂产生的形变。

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悬臂产生的形变。

小组学习了近代物理实验课程的心得体会

成员一：邵孙国

近代物理实验教学是大学生实践教学中的重要环节，它对于培养大学生的实践能力和创新能力有着不可替代的作用。近代实验教学模式多样、内容新颖、方法灵活，有时代特征。学生按照实验教材上的步骤去做,用心去预习之后才能完成实验。在一定程度上提高了学生的主动性与积极性,激发了我们独立思考的兴趣和激情。

这学期做的实验有微弱振动的双光栅测量、超声光栅测声速实验、变温霍尔效应、巨磁阻效应实验、铁磁材料居里温度的测量、全息照相、纳米微粒制备、AFM原子力显微镜技术及应用。

在这一个学期的实验里，我明白了近代物理实验，是一门综合性和技术性很强的试验课程。它主要由近代物理学发展中，起过重要作用的著名实验，以及体现科学实验中，不可缺少的现代实验技术的实验组成。使我受到著名物理学家的物理学家，物理思想和探索精神的熏陶，激发了我的探索和创新精神。

成员二：周柬辉

为期一学期的大学物理实验就要画上一个圆满的句号了，回顾这一学期的学习，感觉十分的充实，这个学期总共做了7个探究性试验以及一个自主试验。包括了微弱振动的双光栅测量，超声光栅测声速实验，变温霍尔效应，巨磁阻效应实验，铁磁材料居里温度的测量，AFM原子力显微镜技术及应用实验报告

全息照相，纳米微粒制备，以及自主实验AFM原子力显微镜技术及应用。

在本学期的实验课中，我学到了很多在平时的学习中学习不到的东西。基本每次实验都达到了实验目的要求。每次上实验课，老师都给我们认真的讲解实验原理，轮到我们自己动手的时候，老师还常常给予我们帮助，我真心地感谢他们对我们的付出。本学期的实验涉及面很广，光学、电磁学、力学都有。而且，每次实验都向我们展示了一些很新奇的技术和仪器，让我带着好奇和渴望做完了每一次实验。

成员三：陈俊峰

为期一学期的大学物理实验就要画上一个圆满的句号了，回顾这一学期的学习，感觉十分的充实，这个学期总共做了7个探究性试验以及一个自主试验。包括了微弱振动的双光栅测量，超声光栅测声速实验，变温霍尔效应，巨磁阻效应实验，铁磁材料居里温度的测量，全息照相，纳米微粒制备，以及自主实验AFM原子力显微镜技术及应用。

物理学从本质上说就是一门实验的科学，它以严格的实验事实为基础，也不断的受到实验的检验，本学期的近代物理实验，向我们展示了在物理学的发展中，人类积累的大量的实验方法以及创造出的各种精密巧妙的仪器设备，让我们开阔了视野，增长了见识，在喟叹先人的聪明才智之余，更激发了我们对未知领域的求知与探索。

近代物理实验是我们进入大学后受到的又一次系统的实验方法与实验技能的培训，通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，使我们进一步加深了对物理学原理的理解，培养与提高了我们的科学实验能力以及科学实验素养。特别是对于我们这样一批理科的学生，仅有扎实的科学理论知识是远远不够的，科学实验是科学理论的源泉，是自然科学的根本，也是工程技术的基础。一个合格的工程技术人员除了要具备较为深广的理论知识，更要具有较强的实践经验，近代物理实验为我们提供了这样的一个平台，为我们动手能力的培养奠定了坚实的基础。

近代物理实验使我们认识到了一整套科学缜密的实验方法，对于我开发我们的智力，培养我们分析解决实际问题的能力，有着十分重要的意义，对于我们科学的逻辑思维的形成有着积极的现实意义。

成员四：任寿良

根据课程的安排我首次接触了8个近代物理实验，包括量子性质的塞曼效应，有关于原子和电子碰撞的夫兰克-赫兹实验，在原子物理方面还有氢原子光谱的研究等等。虽然仅仅8个但我从中学到了很多，也是自己在大学实验学习形式的一次飞跃，从大一的听老师讲解和指导、大二的依赖到大三近代物理实验的独立探究。

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我觉得一部分老师的教学方式非常好。他们鼓励我们要自己解决问题，尽量不要依靠老师。一旦我们遇到困难但没人帮助的时候，我们只有靠自己去摸索，在摸索的过程当中我们学会了课堂上老师不可能教的技巧，比如如何搜索文献，如何查找英文学术单词，如何建立一个总体上的思路等等。虽然采用这样的方式做出成果比别人慢，但是收获更多。

回想起来，为什么我的实验报告一直拿不来高分，为什么我实验内容完成的总是比人家少——我一大部分时间都在不停的为自己的马虎大意买单。但是我想，我收获的肯定比没有犯过错误的人多。低级的错误犯过了，以后再犯的可能性就小了很多；高级的错误犯过了，自己懂的知识就比原来多了很多。

我是在这些课程是体验到了物理学习的快乐，并不仅仅局限于课本理论上的知识，加深了理论上的理解，更加帮助于去理解生活中的规律。实验的选择也很有趣，有些实验看上去觉得没什么，只有真正去做才能感受到其中的快乐。

第二篇：2012-11-2《数据库技术应用》实验报告题目

《数据库技术应用》实验报告题目-2012.31.以自己学号姓名为名称建立一个本班部分学生的学生管理数据库： “xxxxxxxxxxxxxxXXX学生信息库.mdb”；

2.在此库中建立4个实际信息表：“学生表”、“选课表”、“成绩表”和“本学期任课教师表”。其中

学生表的结构为: 学号、姓名、性别、党团员否、专业、高中学校名。第一条记录是自己的，共8条记录。要求对学生表的字体、行高、列宽和颜色等进行格式修改；

选课表的结构为: 学号、姓名、计算机基础课成绩、数据库技术应用课成绩，备注，第一条记录是自己的，共8条记录；

成绩表的结构为: 学号、姓名、专业课平时成绩、考试成绩、按3：7之比算出总评成绩。（可用生成表查询创建）

本学期任课教师表结构为：教师姓名、性别、职称和所教课程名称。在4个表之间至少建立一个“一对一”的关系和一个“一对多”的关系。

3.要求建立5个查询，一个同时显示男女学生的平均成绩，一个显示85分以上的人数，一个显示85分以上的学生全部信息（含成绩），一个交叉表查询和一个操作查询。注意调节查询框大小，打开时应全部可见。

4.在学生管理信息库中建立主子窗体、选项卡窗体、多种控件对象的窗体和报表各一个，主窗体标题为“XXX学生管理信息主窗体”，包含学生表的全部字段；子窗体的标题为“学习成绩”，包含课程表中的姓名、计算机基础课成绩、专业课成绩3个字段；报表标题为“选课报表”；多种控件对象的窗体必须包含7种以上常用控件，必须有本人清楚的实际照片，举例晒晒你自己边学边用的数据库应用实例, 并设置为备注型；选项卡窗体任意。

5．建立一个“切换面板”窗体，要求面板标题为“XXX学生信息管理系统”，窗体中包含五个项目（分别打开前面要求的3个不同窗体和1个报表及1个命令）：“学生管理信息”、“学习成绩”、“学生分析信息”和选课报表及“退出系统”，并且在切换面板窗体的左边插入一个有特点的图片。最后调整美化整个切换面板的布局。

6．希望实验报告中有创新元素。

第三篇：《多媒体技术基础及应用》课程实验报告

《多媒体技术基础及应用》课程实验报告

实验名称：实验日期：

专业：计算机应用（本科）年级：姓名：

一、实验目的：

（在这里填写该次实验的实验目的）

二、实验要求：

1.2.…

三、实验内容：

（在这里填写该次实验所需完成的任务）

四、实验步骤：

（在这里填写完成该次实验的主要步骤）

五、调整/完善情况：

（在这里填写在完成该次实验过程中对某些参数的进一步调整等）

六、实验结果分析：

（在这里分析讨论本次实验，收获及感想）学号：班级：成绩：

第四篇：通用技术实验报告

通用技术技术实验报告

实验名称

如何增加纸质凳子的承载重量

实验小组

姓名：

学号：

指导教师签字：

成绩：

实验时间：

一、实验目的和要求

通过对报纸进行各种技术实验，提高纸质凳子的承载能力。

二、主要仪器设备

废报纸、胶纸、硬纸片、砝码、线

三、实验内容及实验数据记录 实验一：报纸的强度与形状的关系 实验步骤：

（一）剪裁出长25厘米，宽15厘米的报纸若干张

（二）按照以下方式将报纸放在两叠等高的书上，分别增加砝码质量，直到变形为止，记录所承载的砝码数量.桌ABC子 桌 桌 桌

1、将报纸

折

叠

成柱

砝 码

数

状

量

能承载

个砝码

2、将报纸折叠成瓦棱状

能承载

个砝码

3、将报纸折叠成三角棱柱状

能承载

个砝码

4、将报纸

卷

成圆

柱

状

能承载

个砝码

（三）你能得出什么结论

（四）你还有其他增强报纸强度的方法吗

实验二：材料的形状与稳定性的关系 实验步骤：

（一）将报纸卷成长约30厘米，半径为0.5厘米的圆柱体，与硬纸片用胶纸连接，搭建桌子A、B、C，在桌面的四个角上放置砝码，观察桌子的变化，并记录

A

B

C

（二）根据试验记录，分析哪张桌子的结构最好，简单说明原因

（三）你还有其他提高桌子稳定性的方法吗？请用试验证明。

第五篇：显微镜的应用教学设计

《显微镜的应用》教学设计（教师：杨琼琼）

1.教材分析

1.1显微镜是生物学研究中最常用、最基本的观察工具，初步学会独立使用显微镜是初中阶段十分重要的生物技能之一，学习认识、使用显微镜对学生在后面进一步从微观认识动植物，乃至学习生物学知识的基础，有重要意义。

1.2 教学目标 通过本节内容的学习，学生自主学习、亲自实践，从而使书本知识迁移深化为一定的能力、素养，同时引导学生形成一定的情感价值观。

①知识目标：正确说明显微镜的结构与功能

②能力目标：能独立、规范地使用显微镜，能观察到清晰的物像；在认识、使用显微镜的过程中发现问题，并尝试解决问题；

③情感目标：认同显微镜的规范操作方法，养成爱护显微镜的习惯，初步形成实事求是的科学态度。

1.3 教学重点、难点的分析：

①教学重点 显微镜的使用方法。

②教学难点 规范使用显微镜，并观察到物象。

2.教学策略

作为本册教材中第一个技能性的操作实验，该课内容寓理论与实际于一体，是非常基础和重要的一节内容。适当引导学生进行自学和部分探究，让学生掌握显微镜的结构、功能及使用方法。学生通过手脑并用的探究与合作在教师引导下，获得新知与能力的提高，同时体验探究过程的曲折和乐趣，学习科学方法，发展科学探究所需要的能力。

3.课前准备

教师：准备显微镜，并逐个检查（准备两个不同倍数的目镜）；三种标本（写有“上”字的玻片；写有数字的透明纸；写有数字的不透明纸；），擦镜纸，纱布，显微镜的使用录像带或课件；课前每班培训几名学生，以便课上帮助教师辅导其他学生。

学生：对照课本彩图，认识显微镜各部分名称，并思考每一部分的作用；阅读课后的显微镜发展史。

4.教学程序

4.1 走进新单元 指导学生阅读二单元开篇语，观察书上细胞彩图，明确细胞是生物体结构和功能的基本单位。要想探索生物的奥妙，就必须要了解细胞。

引导学生积极发言，叙述显微镜的发展史。提问：通过预习，你对显微镜的发明、发展知道了多少？我们现在用的是什么显微镜？

4.2 新课过程

*认识材料和用具 引导学生观察实验桌上显微镜、玻片标本、擦镜纸、纱布等。

*取镜和安放 右手握，左手托；略偏左，安目镜。指导学生看书37页：取镜和安放。强调安放目镜时，手指不要触摸镜头，对学生进行爱护显微镜的教育。*显微镜的构造 学生两人一组，看书对照实物认识显微镜各部分名称，之后回答教师指示部分的名称。（教师利用课件，点击即显示各部分名称）

*显微镜的使用 教师对学生的回答进行鼓励，引出显微镜的使用。介绍三种观察标本：

（1）写有“上”字的玻片；（2）印有数字的透明纸；（3）写有数字的不透明纸。

对光 要求学生先看书，然后指导学生动手观察。按照先看到一个白亮的视野→放入标本→-看到清晰像的顺序（建议先观察2号标本）。

（1）低倍物镜对准通光孔。（2）左眼看，右眼睁。（3）转动反光镜，看到明亮视野。

观察 学生边看书自学边操作显微镜进行观察。

（1）标本放在载物台上，压住，正对通光孔。

（2）镜筒先下降，直到接近标本。

（3）左眼注视目镜，使镜筒缓缓上升，直到看清物像。

强调

⑴用低倍物镜（10×或8×，即短的物镜）对准通光孔。

⑵转动转换器的手法要正确，对学生进行爱护显微镜的教育。⑶镜筒先下降后上升，镜筒下降时，眼睛一定要看着物镜，以免压碎标本。

⑷左眼看目镜，右眼睁开是为了画图。引导学生继续观察。

思考并回答问题：

⑴为什么视野中看到的物像是倒的？

⑵看到的物像究竟被放大了多少倍？

⑶不透明纸上的数字为何看不清？

⑷放大倍数不同，看到的细胞个数与大小有什么不同？

5.练习反馈

1．写有“上”字的玻片标本，视野中看到的物像是（）字。

2．显微镜的目镜5×,物镜10×，放大倍数是（）；目镜10×，物镜10×，放大倍数是（）；目镜10×，物镜40×，放大倍数是（）。

3．如果物像偏左，你应将标本向（）移，才能使物像居中。

6.教学反思

上好本节课的关键是组织好学生进行探究和操作，教师最好课前培训几位学生作助手，这样看似麻烦，实际在上课时解决了不少问题，以后的学习中还会用到显微镜，所以在开始就要强调规范操作，帮助学生养成良好习惯。

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