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。
AFM的原理及应用.ppt
特点：
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表 面结构的“搬运效应”。
样品表面起伏较大的大型扫描比非接触式的更 有效。
间歇接触式（tapping mode）
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原子力显微镜的构成
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。
类似非接触式AFM，比非接触式更靠近样品表 面。损害样品的可能性比接触式少（不用侧面 力，摩擦或者拖拽）。
轻敲模式的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1皮牛顿（pN）～1纳牛顿（ nN），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。
3、尽量避免针尖和样品表面的污染。如果针尖上有污染物 ，就会造成与表面之间的多点接触，出现多针尖现象，造成 假像。如果表面受到了污染，在扫描过程中表面污染物也可 能粘到针尖上，造成假像的产生。
4、控制测试气氛，消除毛细作用力的影响。由于毛细作用 力的存在，在空气中进行AFM成像时会造成样品与针尖的接 触面积增大，分辨率降低。此时，可考虑在真空环境下测定 ，在气氛控制箱中冲入干燥的N2，或者在溶液中成像等。溶 液的介电性质也可以影响针尖与样品间范德华作用力常数， 从而有可能减小它们之间的吸引力以提高成像分辨率。不过 液体对针尖的阻尼作用会造成反馈的滞后效应，所以不适用 于快速扫描过程。
Atomic Force Microscopy 原子力显微镜（AFM）
目录：
AFM的发展历史 AFM的原理 AFM的分类 AFM机器的组成 影响AFM分辨率的因素 AFM技术应用举例 照片举例 AFM的缺点
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。
2 原子力显微镜AFM
8
光束偏转测量法工作原理图 光束偏转测量法工作原理图
Topography
Feedback Loop
Z Laser Scanner Display
X-Y Scan Control
Y Photodiode X
Sample
Cantilever
9
光束偏转测量法工作原理图 光束偏转测量法工作原理图
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2.2.2.4 电容测量法
在电容测量法中， 在电容测量法中，微悬臂作为构成平行平板电容器的一块平板 之一，而另一块平板则平行地位于微悬臂的上方，如图所示。 之一，而另一块平板则平行地位于微悬臂的上方，如图所示。 微悬臂的偏转值将通过测量该电容器的电容值的变化得到。 微悬臂的偏转值将通过测量该电容器的电容值的变化得到。它 的垂直位移检测精度达到0.03nm。 电容测量法是所介绍的这几种 。 的垂直位移检测精度达到 常用微悬臂偏转检测方法中精度稍差的一种。 常用微悬臂偏转检测方法中精度稍差的一种。
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2.2.2.2 光学干涉测量法
用光学方法来检测微悬臂的偏转，可以克服隧道电流检测法的缺点， 用光学方法来检测微悬臂的偏转 ， 可以克服隧道电流检测法的缺点 ， 因为微悬臂上吸附的微 小污染物不会影响光学方法的检测精度。 等人提出了光学干涉测量方法。 小污染物不会影响光学方法的检测精度。1987-1988年，Martin 等人提出了光学干涉测量方法。其 年 原理是利用光学干涉的方法来探测微悬臂共振频率的位移(或偏振光的相移 及微悬臂偏转的幅度 原理是利用光学干涉的方法来探测微悬臂共振频率的位移 或偏振光的相移)及微悬臂偏转的幅度。 或偏振光的相移 及微悬臂偏转的幅度。 设计的差动式干涉测量方法， 如Martin设计的差动式干涉测量方法，用两束相互正交的偏振光，参考光束和探测光束，分别检测 设计的差动式干涉测量方法 用两束相互正交的偏振光，参考光束和探测光束， 微悬臂的旋转部位和针尖部位；这两束光从上述部位反射后会发生干涉， 微悬臂的旋转部位和针尖部位；这两束光从上述部位反射后会发生干涉，并产生一个相位依赖于探 测光束光程的光束； 扫描时， 测光束光程的光束 ； 当 AFM扫描时， 样品和针尖之间的原子排斥力会使微悬臂发生微小偏转 ， 这 扫描时 样品和针尖之间的原子排斥力会使微悬臂发生微小偏转， 就使得探测光束的光程发生变化，进而使得参考光束和探测光束之间的相位出现移动。 就使得探测光束的光程发生变化，进而使得参考光束和探测光束之间的相位出现移动。这种相移的 大小直接反映了微悬臂偏转角度的大小，并且和微悬臂上受到的原子力成正比。 大小直接反映了微悬臂偏转角度的大小，并且和微悬臂上受到的原子力成正比。
超精密加工技术详解
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！
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。
《纳米科技基础》实验-AFM
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。
原子力显微镜AFM精品PPT课件
➢ 两种测量模式
（1）等高测量模式： 探针以不变高度在试件表面扫描，隧 道电流随试件表面起伏而变化，从而 得到试件表面形貌信息。
（2）恒电流测量模式：
探针在试件表面扫描，使用反馈电 路驱动探针，使探针与试件表面之 间距离（隧道间隙）不变。此时探 针移动直接描绘了试件表面形貌。 此种测量模式隧道电流对隧道间隙 的敏感性转移到反馈电路驱动电压 与位移之间的关系上，避免了非线 性，提高了测量精度和测量范围。
F pair 排斥部分
d 吸引部分
原子 原子
原子 排斥力
原子
吸引力
原子间的作用力
19
20
AFM实物照片
扫描探针 磁盘图像
21
正是因为AFM工作时不需要探测隧 道电流，所以它可以用于分辨包括绝缘体 在内的各种材料表面上的单个原子，其应 用范围无疑比STM更加广阔。但从分辨 率来看，AFM要比STM略微低一些。
发展历史 工作原理
应
用
基本原理 仪器构成 工作模式
8
扫描隧道显微测量（STM）
➢ 扫描隧道显微镜1981年由在IBM瑞士苏黎世实验室工作
的G.Binning
和
H.Rohrer
发明，可用于观察物体
A
级的表
面形貌。被列为20世纪80年度世界十大科技成果之一，
1986年因此获诺贝尔物理学奖。
G.Binning
◆ 在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”， 而出现一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、 微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。
◆ 纳米技术研究的主要内容
➢纳米级精度和表面形貌测量及表面层物理、化学性能 检测； ➢纳米级加工； ➢纳米材料； ➢纳米级传感与控制技术； ➢微型与超微型机械。
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1、本图采用YBYAFM有源滤波多功能模块集成柜进行谐波治理、无功补偿、治理三相不平衡,对系统电能质量进行综合治理，达到一机多用。
2、AFM独立组柜，与低压成套配电装置并列布置，由于现场条件限制，也可以摆放在末端并列摆放，并且可以按用户要求统一色标及适当调整柜体尺寸，一般用于改造项目。
3、AFM配备高精度专用电流互感器及专用空气开关。
AFM典型设计方案
电柜编号
柜型号（MNS）
一 次 路 线 方 案
支路监测控制单位
LR
YBYAFM
寸：宽*深
用途
由
回路编号
容量（KW）
容量（KW）
需要系数
功率因数
算电流（A）
路器额定脱扣 流(ID1)A
高压柜引出
有源滤波多功能模块
SVC调谐滤波办公照明Βιβλιοθήκη 办公空调一号恒温炉
二号恒温炉
三号恒温炉
说明：
某工程配置YBYAFM有源滤波多功能模块集成的低压配电系统图（局部）
模块尺寸（H×W×D）mm