原子力显微镜的研究型教学实验设计探讨

黄 凯

(安徽建筑大学，安徽合肥 230601)

原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)最初是由美国IBM公司的Binning和斯坦福大学的Quate于1985年研发出的。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。因此，原子力显微镜诞生不久已广泛应用于机械学、材料学、电子学以及原子、分子操纵等领域［1-5］。其优点在于分辨率可以达到纳米级，比光学显微镜的分辨率大大提高。AFM既可以测量导电的物体，也可以测量不导电的物体，既可以在真空下工作，也可以在大气中工作.对样品无特殊要求，制样容易、检测快捷、操作简便。

大学理工科实验课教学是加强学生素质教育、培养学生创新意识和创造能力、培养适应现代化建设人才的重要环节和途径［6］。因此，从培养学生创新素质的层面上来讲，必须在大学物理实验课程中增加新的实验内容，特别是与当代科学技术紧密结合的综合性实验内容［7］。原子力显微镜作为大型精密分析测试仪器之一，在现代分析测试中占有越来越重要的地位，应用范围也越来越广泛，不仅在物理、化学、材料、造纸、食品、医学等科研方面有着非常广泛的应用，在上述领域的生产实践中的应用也日见增多。因此，在大学物理实验中开设原子力显微镜的相关实验符合大学生现代科学综合素质培养的目标，是非常必要的。对原子力显微镜用于实验教学进行课程内容及方法设计，激励学生的创新意识，锻炼和培养学生的创新能力，以期最大限度地发挥该类测试设备应用于实验教学的作用，是一个值得研究的重要课题。

本文主要介绍原子力显微镜原理，并就如何将原子力显微镜进行课程内容和教学方案设计进行了阐述，并应用于实验教学，取得了较好的效果，可以为同类实验课程的开设提供有益的参考。

1 原子力显微镜的结构及工作原理

在原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM)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。原子力显微镜的基本原理是:将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。

图1 原子力显微镜的结构原理图

2 原子力显微镜研究性实验的主要内容

由于原子力显微镜的应用范围比较广泛，所以在实验课中不可能涉及到所有的应用领域，可以针对本校的专业设置和原子力显微镜的应用情况来设置实验内容，并且可以根据本校的经济条件，现在原子力显微镜应用较多的专业和院系开设，逐步向更多的有关院系和专业的学生开设原子力显微镜的有关实验课。我校是首先在物理和材料专业开设该课程，后逐渐增加到其他专业的学生，取得了比较好的效果。

实验的内容主要包括仪器的结构介绍、操作演示、软件使用、实际操作、图片处理几项内容。学生自己准备样品，这样不同专业的学生都能通过原子力显微镜观测到与自己专业相关的样品，不仅可以熟悉原子力显微镜的操作，而且对本专业的学习也有极大的帮助。

下面以分析半导体ZnO薄膜的形貌特性为例，对于原子力显微镜在大学物理实验中的实验内容设计作个简要介绍。对于实验所用的薄膜样品，若是一个综合性的创新实验，可以让学生自己制备薄膜(比如用溶胶-凝胶法等)，然后再用原子力显微镜等仪器分析薄膜的物理特性，中科大已经设置了这方面的创新性实验包括从薄膜样品的制备到光电磁性能分析，形成一个综合性的实验项目。若是一个普通物理实验，教师需要提供薄膜样品，最好是采用不同技术制备的多个样品，这样的话就可以进行对比研究。在这里使用的样品是采用溶胶-凝胶法制备出来的ZnO纳米薄膜。

2.1 半导体薄膜表面形貌特征研究

实验在AFM上对样品表面进行了多处扫描，获得样品表面的一系列图像。在介观尺度下，半导体ZnO薄膜表面具有极为凹凸不平的特征，有很多形状不一、大小较为均匀的洼坑和突起，见图2。图2(a)为该样品的表面二维形貌图，图片的扫描范围为3 000×3 000 nm。在图2(a)中，图中颜色的深浅不同表明了半导体ZnO薄膜表面的粗糙不平的特点，样品表面颜色深的位置代表凹坑深，颜色浅的位置表示该处表面突起。图2(b)为煤样的三维表面形貌，从另一个角度反映了介观尺度下薄膜表面的凹凸不同的形貌。

图2 半导体ZnO薄膜的AFM图

2.2 半导体薄膜样表面颗粒研究

图3 半导体ZnO薄膜的表面颗粒尺度分析

图4 半导体ZnO薄膜的粒度分析

后处理软件对AFM形貌图进行处理，选取高度阈值，并剔除10%的最大和最小颗粒，得到半导体ZnO薄膜的表面颗粒分析结果，见图3。图左侧的比例图代表各个面积尺度的颗粒百分比，图中每一条线段代表某个尺度(面积)颗粒的百分比。图右侧表示系统所识别到的所有颗粒状况，黑色区域为表面凹陷部分，灰白相间部分为所识别到的颗粒。从颗粒分析得到的粒度分布见图4。图3、4表明:总颗粒数为889，平均粒径为40.1 nm。其中近90%的颗粒粒径小于56 nm。可见，采用AFM扫描，获得了该样纳米级的表面形貌特征。

2.3 半导体薄膜样表面粗糙度研究

表面粗糙度是表面结构的主要特征之一［8］。表征表面粗糙度的参数有幅度参数(Amplitude parameters)、混合参数(Hybrid Parameters)和功能参数(Function Parameters)。其中混合参数是影响表面摩擦性能的重要因素。功能参数是表征表面某些特殊的性能，如表示表面支承性能的表面支承指数Sbi等。该实验侧重于研究半导体ZnO薄膜表面形貌特性。幅度性能是表面形貌的主要特征之一，幅度参数大多与高度相关。幅度参数主要表征表面高度的三个方面的特性:(1)统计特性;(2)极值特性;(3)高度分布的形状。表面粗糙度分析结果如图5所示。从图5可见，半导体ZnO薄膜表面形貌的均方根偏差Sq(统计幅度参数)的数值达8.26 nm，说明在AFM扫描区域内，该样表面粗糙度偏离参考基准的统计值。表面偏斜度Ssk=-0.149＜0，表明该样表面的分布在基准面之上较为均匀。对于表征表面高度的峭度Sku=2.31＜3，说明该样形貌高度分布分散，没有集中在表面的中心部分。

图5 半导体ZnO薄膜的表面粗糙度分析

2.4 半导体薄膜样表面的功率谱分析研究

AFM扫描获得的半导体ZnO薄膜样品信息，经后处理软件处理，得到扫描曲线，再经过傅里叶转换获得频谱和功率谱密度函数。不同的薄膜样品得到的功率谱密度图各异，其中ZnO薄膜表面的功率谱密度见图6。图6表达了不同的频率对应的功率谱密度值。结合分形理论［9］，通过计算可得到该样的分形维数D。分形维数是表征表面结构的特征参数。采用功率谱法计算分形维数，有助于进一步研究薄膜样品表面的分形特征。

图6 半导体ZnO薄膜表面的功率谱密度

3 结 论

原子力显微镜作为一种非常精密的分析测试仪器，已广泛地应用于材料、机械、生物、医学、化工等领域的科研及生产实践中。在大学物理实验课程中开设与原子力显微镜有关的实验内容，不仅可以有效促进大学物理实验课程更好的适应社会需求，更有益于开拓学生的视野、增强学生的创新意识并提高学生的创新能力。通过将本文所阐述的课程内容和教学方法应用于实际教学中，可以为同类实验课程的开设提供有益的参考。

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