AFM典型设计方案

原子力显微镜实验教学方法探索原子力显微镜（AtomicForceMicroscope，AFM）是一种高分辨率的显微镜，可以用于观察样品表面的原子级别结构。

由于其高分辨率和非接触式观测特性，AFM已经成为材料科学、生物科学、纳米科技等领域中不可或缺的工具。

AFM的实验教学对于提高学生的实验技能、科学思维能力、创新能力等方面有着重要的意义。

本文将介绍AFM的实验教学方法，包括实验设计、实验操作、结果分析等方面的内容。

一、实验设计AFM实验设计的目的是让学生了解AFM的基本原理和操作方法，并通过实验获得样品表面的高分辨率成像。

在实验设计中，需要考虑以下几个方面：1. 实验目的和要求：明确实验的目的和要求，例如观察样品表面的形貌、测量样品表面的物理性质等。

2. 样品选择和制备：选择合适的样品，制备样品表面平整、干净、光滑，以便于AFM成像。

3. 实验参数设置：设置合适的扫描区域、扫描速度、扫描力等参数，以获得高质量的成像结果。

4. 实验安全和注意事项：AFM实验需要使用高精度的仪器和设备，需要注意实验安全和操作规范，避免对人和设备造成损伤。

二、实验操作AFM实验操作是实验设计的核心部分，主要包括样品准备、扫描参数设置、成像操作等。

在实验操作中，需要注意以下几个方面：1. 样品准备：样品表面需要平整、干净、光滑，否则会影响AFM成像效果。

样品表面的准备方法包括机械打磨、化学处理、离子束刻蚀等。

2. 扫描参数设置：根据实验设计中确定的扫描区域、扫描速度、扫描力等参数进行设置，以获得高质量的成像结果。

3. 成像操作：将扫描探针移动到样品表面，进行扫描操作，获得样品表面的高分辨率成像。

在成像操作中需要注意探针与样品表面的距离、扫描速度和扫描力的调整。

三、结果分析AFM实验结果分析是实验教学的重要环节，主要包括成像结果的解读和数据分析。

在结果分析中，需要注意以下几个方面：1. 成像结果的解读：根据样品表面的成像结果，了解样品表面的形貌、结构和物理性质。

原子力显微镜处于噪音背景下的最优解决方案探索原子力显微镜（Atomic Force Microscope, AFM）是一种能够获取样品表面形貌、力学性质和电磁性质等微观信息的高分辨率显微技术。

然而，在实际应用中，AFM常常受到噪音背景的干扰影响。

本文将探讨原子力显微镜在噪音背景下的最优解决方案。

首先，我们需要了解噪音对原子力显微镜的影响。

噪音可以来自多个因素，如机械振动、电磁辐射、温度变化等。

这些噪音会引起仪器的漂移、震荡和误差增加，从而降低原子力显微镜的分辨率和准确度。

为了解决这一问题，我们可以采取以下措施。

首先是环境隔离。

将原子力显微镜放置在外部噪音隔离系统内，减少外界噪音对仪器的影响。

这可以通过减震台、隔音室或者恒温箱等措施来实现。

减震台可以有效减少地面振动对仪器的影响，隔音室则可屏蔽外界声音。

此外，采用恒温箱可以减小温度变化对仪器的影响，提高稳定性。

其次是噪音抑制技术的应用。

噪音抑制技术可以通过信号处理和滤波的方式减小仪器噪音的影响。

其中，信号处理技术可以在测量信号中提取有效信息并滤除噪声。

常用的方法包括快速傅里叶变换（FFT）和小波变换等。

滤波技术可以选择合适的滤波器对信号进行滤波，滤除噪音成分。

常见的滤波器有低通、高通、带通和带阻滤波器。

此外，我们还可以采用主动噪音控制技术来抑制噪音。

主动噪音控制技术利用反相原理，通过发射与噪音相反的声波或振动信号，达到抵消噪音的效果。

这种技术需要在原子力显微镜系统中加入传感器和执行器等装置，实现实时监测和控制。

除了以上的技术手段，我们还可以从仪器本身的优化入手来解决噪音问题。

一方面，可以通过改进仪器结构和材料来提高仪器的稳定性和抗噪性能。

另一方面，可以优化测量参数和操作方法，减小对噪音的敏感性。

例如，在测量过程中，可以采用合适的扫描速率和力度，避免人为因素对噪声信号产生干扰。

此外，定期的维护和校准也是保证原子力显微镜正常工作和准确测量的重要环节。

定期的维护可以及时发现并修复仪器故障和磨损，保持仪器的稳定性。

超精密加工技术——试论述AFM，接触式粗糙度测量仪及白光干涉仪对表面粗糙度的测试原理及应用范围1.1 AFM对表面粗糙度的测试原理AFM 是一种类似于STM 的微观技术，它的许多元件和STM是共同的，如用于三维扫描的电压陶瓷系统以及反馈控制器等。

它和STM 最大的不同是用一個对微弱作用力极其敏感的微观臂针尖代替了STM隧道针尖，并以探测原子间的微小作用力(Vander Walls’ Force)代替了STM 的微小穿透电流。

因为这样所以AFM 不在像STM 局限于样品必须为导体才行，AFM 适用于导体和非导体，它的应用范围比STM 广泛的多，因此AFM为目前最被广泛应用在工业界的扫描探针式显微术。

但值得注意的是AFM 的解析度并沒有STM 来的的好！AFM的探针,一般是利用半导体工业的平面制程方法一体成行的。

为了使探针有原子级的解析度，探针乃呈角锥形，使顶端只具有一颗或数颗稳定原子；为使探针具高灵敏的原子力感应度，角锥形探针底部乃连接与一杠杆的前缘，此杠杆弯曲程度将反映出原子力的大小。

为测量弯曲度的大小，常用的方法是打一雷射光与悬臂上，而反射回來的雷射光則利用一能区分光点位置的感光二极体来接收，如此便能得到悬臂受原子力弯曲的程度，进而得到原子力图像。

(AFM工艺由美国与萨诸塞州Dynetics公司开发的Dynaflow磨料流加工工艺(AFM)是一种强迫含磨料的介质在工件表面或孔中往复运动的金属精加工工艺, 它具有广泛的应用前景。

AFM当最先出现时, 它主要用于清除金属件中难于到达的内通道及相交部位的毛刺。

它特别适用于加工难加工合金材料制成的结构复杂的航空元件。

近年来, 它已被用于精加工流体动力元件中表面粗糙度要求达0.127µm的不能接近的内表面。

AFM的基本原理：介质速度最大时, 磨光的能力也最大。

这里, 夹具的结构起着重要作用, 它决定着介质速度在何处最大。

夹具用于使工件定位和建立介质流动轨迹, 是精加工所选择部位而不触及相邻部位的关键所在。

东南大学《AFM》：一种高导电、可拉伸的果冻状金纳米线薄膜！可拉伸电子产品（即Elastronics）对于实现用于个性化医疗的下一代可穿戴生物电子学至关重要，因为它们具有独特的皮肤敷形功能，非常适合与人体无缝集成。

基于纳米线的电子学已经取得了重大进展，其应用前景广阔，从电子皮肤到先进的能量收集系统。

然而，合理控制纳米线形态和配置以实现所需的多功能性仍然是一个关键挑战。

来自东南大学的学者采用金纳米星状晶种纳米线生长方法，提出了一种具有高导电性和拉伸性的可拉伸果冻状金纳米线薄膜。

它们表现出独特的分层取向结构，其中金纳米星状作为多支链活性位点（顶层），垂直交织的纳米线（底层）在纳米星下方。

由于独特的分层结构，这种纳米线薄膜可以拉伸至200%，并保持13.8的低归一化电阻。

此外，薄膜可用作可拉伸超级电容器，即使在5000 次电化学扫描循环后，仍具有92%的电容保持率和卓越的耐用性。

该方法是通用的，可以进一步扩展到其他金属种子，因此，代表了一种低成本但有效的策略，用于制造用于人体生物传感和生物电子学的可拉伸电子和强大的储能装置。

相关文章以“Hierarchically Oriented Jellyfish-Like Gold Nanowires Film for Elastronics”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：/10.1002/adfm.202209760图1.水母状金纳米线的特性。

a)水母状金纳米线薄膜的可控合成示意图。

b)在不同衬底上生长的水母状金纳米线的照片。

c)水母状纳米线(左)和薄膜在不同放大倍数下的SEM图像。

插图显示了测量的薄膜表面接触角。

d)具有长触须的水母的图像显示出与合成的纳米线相似的形态。

图2.水母状金纳米线的可控生长。

a)PDMS上生长时间增加的水母状金纳米线的SEM图像。

b)随着生长时间增加的平均纳米线长度。

c)电导率和薄层电阻随纳米线长度的变化。

实验三 用AFM扫描二维光栅图像1、实验目的二维光栅类似于一维光栅，也可以用来定标。

二维光栅的微观结构是在两维方向上都有周期性排列的结构，也就是在X和Y方向上都具有周期性的结构。

通过本实验能基本掌握AFM使用方法：正确扫描二维光栅图像。

2、实验仪器和用品AJ—III型AFM一套、AFM针尖、二维光栅(本实验采用结构为500nm的二维光栅)3、实验步骤1)安装样品调节粗调旋钮使头部抬高，将头部轻轻拿下，平放在实验平台上(注意不要将连接头部和底座的连接线拔下)，然后将样品放在扫描管的顶端，然后将样品的底座与扫描管轻擦几下，使他们接触牢固。

放好样品之后，将头部按原样轻轻放回。

2)针尖安装将针尖座取下，按图3—1将针尖装入针尖座。

将针尖座轻轻压下，然后用镊子夹住针尖迅速装入针尖座，然后放开针尖座的弹簧使针尖夹紧在针尖座里。

使悬臂露出大约O.7mm。

在下一步调节共振峰时，如果共振峰起振的非常小，有可能是因为悬臂露的太少，使起振受到的阻碍太大，这时需要将针尖拉出来一点，相反，如果在很小的振幅下，共振峰非常的大，有可能是因为悬臂太长的原因，这时就需要将悬臂放进去一点。

图3—2显示了针尖安装的方向。

装好针尖后，将针尖座放人头部，拧紧松紧旋钮。

在针尖座放入之前，要保证针尖和样品表面之间要有足够的空间，可以先用粗调旋钮和驱进马达使头部抬高。

图3—1针尖安装示意图图3—2针尖安装放大图3)光斑的调整在上面的步骤中，已经将进行实验的硬件都准备好了，下面就将AJ-III型的在线软件打开，界面如图3—3所示。

图3～3在线软件界面·选择“contact mode”——将底座上的模式调到“C”模式，将在线软件的调整光斑的界面调出来，选界面上的“查看＼头部调整”，点“开始”键(见图3—4)。

图3—4光斑调节界面调整光斑的目的是使激光二极管发射出来的激光聚集在针尖的尖端。

光斑在针尖上的位置调整一般采用的是“纸条法”。

“纸条法”虽然需要一定的经验，但是掌握起来并不是很难。

AFM资料国内外仪器现状及发展趋势，同类科研仪器的⽔平对⽐（各项功能和具体参数列表对⽐）⼀．上海爱建纳⽶科技发展有限公司扫描探针显微镜的关键技术先进的扫描探针显微镜（SPM）是集精密光学技术、精密机械、电⼦技术、信号处理技术、图像处理技术、⾃动控制技术和计算机技术于⼀⾝的系统，⽆论国内国外的SPM都是由微弱信号检测系统，扫描系统，控制系统组成。

这些系统的功能和性能决定了⼀台商⽤SPM 的性能。

1. 微弱信号检测系统1.1 扫描隧道显微镜（STM）当⼀根极细的⾦属针尖和导电样品间距离在纳⽶级时，在针尖和样品间施加⼀定的电压，由于隧道效应产⽣隧道电流，隧道电流与针尖样品间距呈负指数关系。

隧道电流⼀般在纳安和亚纳安级，微⼩电流的检测技术就成为STM的关键技术之⼀。

1.2原⼦⼒显微镜（AFM）AFM是通过探测极细针尖和样品之间的作⽤⼒来检测针尖样品之间的距离。

AFM的发展⾸先得益于能够探测微⼩⼒的微悬臂探针的发明，它是⼀端固定的悬臂梁，在它的⾃由端有⼀根极细的针尖，悬臂梁的弹性系数⼀般为0.03N/m~48N/m，针尖的曲率半径为⼏个纳⽶。

光杠杆技术：光杠杆技术将微悬臂受到原⼦间作⽤⼒⽽产⽣的埃级的形变放⼤⼏百⾄⼀千倍到光电探测器上，放⼤倍数由杠杆的长度决定。

激光光斑在光电探测器上的移动转换成可测量的电信号，从⽽最终测量针尖样品间的⽪⽜级的作⽤⼒。

2. 压电扫描器及⾮线性校正及标定技术要实现SPM的XYZ空间的亚纳⽶级的分辨，不仅有微悬臂，还要有将针尖和样品精确的定位和移动在亚纳⽶级的器件。

⼀般采⽤四分电极的压电陶瓷管来实现样品和针尖的XYZ三个⽅向的相对移动。

但是由于压电材料固有的磁滞性、蠕变性等特性，导致压电扫描器的⾮线性特性，即扫描器的位移与所加的驱动电压不成线性关系，同时压电材料受温度、湿度等环境因素的影响也会造成系统的漂移。

基于上述两点，即使选⽤国外进⼝的⾼档压电陶瓷管，也要进⾏筛选测试，和⼀系列处理才能达到要求。

[19]中华人民共和国国家知识产权局[12]发明专利申请公开说明书[11]公开号CN 1677075A [43]公开日2005年10月5日[21]申请号200410017432.X [22]申请日2004.04.02[21]申请号200410017432.X[71]申请人中国科学院上海应用物理研究所地址201800上海市嘉定区新木桥宝嘉公路2019号[72]发明人郭云昌 吕军鸿 胡钧 李民乾 [74]专利代理机构上海智信专利代理有限公司代理人邓琪[51]Int.CI 7G01N 1/28G01N 13/16权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页[54]发明名称快速制备AFM生物样品的方法[57]摘要本发明提供了一种快速制备AFM生物样品的方法，包括以下步骤：1)将样品衬底固定在一转盘上；2)在前述衬底上滴加生物分子溶液；3)设定旋转时间，旋转转盘直至其自动停止；4)取下衬底，干燥，然后进行AFM观察成像。

本发明通过调节转盘的转速和时间以及生物样品溶液的浓度和所加体积，可以很好的控制生物分子在衬底上分布的均匀程度。

本发明的方法由于机械旋转方法的引入，使得生物分子的拉直变得异常简单快捷，大大减小人为因素对生物分子分散程度的影响，重复性很好，需样品量少，同时该方法可以同时制备多个AFM样品，做到批量生产。

200410017432.X权 利 要 求 书第1/1页1、快速制备AFM生物样品的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1)将样品衬底用胶粘在一转盘上；(2)在前述衬底上滴加生物分子溶液；(3)旋转转盘直至其自动停止；(4)取下衬底，干燥，然后粘在基片上，进行AFM观察成像。

2.如权利要求1所述的快速制备AFM生物样品的方法，其特征在于：所述样品衬底为云母或硅片。

3.如权利要求2所述的快速制备AFM生物样品的方法，其特征在于：所述云母片为新鲜解理的0.5~2厘米见方薄层。

4.如权利要求1所述的快速制备AFM生物样品的方法，其特征在于：所述生物分子溶液浓度为5～50ng/μl，体积为5～20μl。

基于AFM快速扫描的正弦驱动设计的开题报告
一、选题背景
近些年来，面向纳米尺度的表观物理和量子物理研究等领域高速发展。

在这些领域，研究器件与测试技术都必须满足高精度和高速度的要求。

原有的常规AFM扫描方法在速度上很难满足这些需求，因此需要开
发一种能够快速扫描的AFM正弦驱动控制方法。

二、课题研究意义
快速扫描AFM的研究，对制备纳米器件、传感器、材料表面表征等方向有着重要意义。

一方面，对于制备过程中微小结构的表征，速度更快、精度更高的扫描方法可以保证准确性和高效性；另一方面，对于表
面性质的研究，快速扫描AFM可以更准确、更及时地捕捉材料表面变化，同时能提高实验效率和降低成本。

三、课题研究内容
1. AFM的工作原理及其现有的扫描方法的原理和应用范围进行系统
研究和分析。

2. 构建正弦波的输出和驱动电路，实现对AFM的快速扫描。

3. 实现驱动器与扫描控制器之间的数据传输和接口控制。

4. 针对正弦驱动方式的关键问题进行研究，优化技术性能和功能性能。

四、预期研究结果
本课题主要目标是设计一种基于正弦驱动的快速扫描AFM方案，该方案可以提高扫描速度和精度，具有适用范围广泛的特点，并为同类研
究领域做出积极的贡献。