原子力顯微鏡在納米技術(shù)中的應(yīng)用

摘 要：論文根據(jù)原子力顯微鏡（AFM）的原理，針對納米技術(shù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的基本內(nèi)容結(jié)構(gòu)和教學(xué)目的，探討了AFM在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用，列舉了AFM在納米技術(shù)相關(guān)教學(xué)中的運(yùn)用案例。AFM在納米技術(shù)中的應(yīng)用教學(xué)顯示，它能促進(jìn)學(xué)生產(chǎn)生對課程的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)又能幫助學(xué)生加強(qiáng)對抽象概念的理解。實(shí)踐證明，AFM在納米技術(shù)相關(guān)教學(xué)課程中起到了非常重要的作用。

關(guān)鍵詞：納米技術(shù)；原子力顯微鏡（AFM）；AFM教學(xué)實(shí)例

納米技術(shù)作為當(dāng)前發(fā)展最迅速、研究最廣泛、投入最多的科學(xué)技術(shù)之一，被譽(yù)為21世紀(jì)的科學(xué)，并且和生物工程一起被認(rèn)為是未來科技的兩大重要前沿。

從納米技術(shù)的發(fā)展來看，激光干涉納米光刻技術(shù)、納米加工、納米測量技術(shù)，以及納米制造等，都有著不可忽視的地位和作用。原子力顯微鏡（atomic force microscope，簡稱AFM）是納米技術(shù)研究中最常用也是最基礎(chǔ)的一個(gè)儀器。它是利用微懸臂感受和放大懸臂上探針與受測樣品原子之間的作用力，從而達(dá)到檢測的目的，具有原子級的分辨率[1]。

隨著人們對納米技術(shù)的深入研究以及對AFM的不斷開發(fā)，使原子力顯微鏡不僅僅具有檢測的功能，還可以實(shí)現(xiàn)對樣品的“推”、“拉”、“刻劃”、“切割”、“搬運(yùn)”等功能，增大了AFM的使用范圍。其優(yōu)勢在于操作過程不受環(huán)境影響，既可以在大氣環(huán)境下工作，也可以在液相下工作。這對人們在生物醫(yī)學(xué)等方面的研究工作，帶來了便利。

對于納米技術(shù)相關(guān)課程的基礎(chǔ)教學(xué)而言， AFM是學(xué)生們感知納米量級，實(shí)現(xiàn)簡單操作的最直接的方式之一。因此，本論文針對AFM的特點(diǎn)及納米技術(shù)相關(guān)教學(xué)的知識點(diǎn)，將AFM工作原理及實(shí)際掃描、操作后得到的圖片引入到課堂中進(jìn)行輔助教學(xué)，取得了一定的效果，提升了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。

1 AFM原理

AFM是將一個(gè)對微弱力極敏感的微懸臂的一端固定住，另一端裝有一微小的納米級針尖。當(dāng)針尖與樣品表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過在掃描時(shí)控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運(yùn)動(dòng)。一束激光經(jīng)微懸臂的背面反射到光電檢測器，可以精確測量微懸臂的微小變形，這樣就實(shí)現(xiàn)了通過檢測樣品與探針之間的原子排斥力來反映樣品表面形貌和其他表面結(jié)構(gòu)。也就是說，微懸臂的形變是對樣品-針尖相互作用的直接反映[2，3]。

AFM研究對象可以是有機(jī)固體、聚合物以及生物大分子等，其可以在空氣或者液體下對樣品直接進(jìn)行成像或操作，分辨率很高。因此，AFM被廣泛應(yīng)用于納米測量及納米加工等技術(shù)中。

2 AFM教學(xué)實(shí)例

針對納米測量所涉及的兩個(gè)重要領(lǐng)域：納米長度測量和納米級的表面輪廓測量。列舉了AFM掃描的利用多光束激光干涉光刻制備單晶硅形貌圖。

觀測者不但可以直接看到被測樣品的表面形貌，還可以通過AFM二維圖像形成相應(yīng)的三維像，從而獲得樣品表面結(jié)構(gòu)的深度，大小以及長度等重要信息參數(shù)，如圖2所示。

針對納米操作技術(shù)所涉及到的對樣品的“推”、“拉”及“刻劃”等操作，列舉了AFM的掃描圖像，如圖3所示。

通過AFM對原子的操作及樣品形貌的掃描，可以讓學(xué)生更為直觀地了解AFM以及納米技術(shù)的相關(guān)概念及原理。同時(shí)，清晰的掃描圖像可以進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生對納米技術(shù)相關(guān)教學(xué)課程內(nèi)容的理解和認(rèn)識。

3 結(jié)論

通過對AFM原理的介紹以及實(shí)驗(yàn)課程的引入，可以將抽象、難以理解的實(shí)驗(yàn)問題具體化、形象化。學(xué)生可以在使用或者觀看AFM的操作及使用過程中加強(qiáng)對納米技術(shù)類課程的理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、建模能力和實(shí)際應(yīng)用能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]http：//baike.so.com/doc/5602492.html.

[2]徐井華，李強(qiáng).原子力顯微鏡的工作原理及其應(yīng)用[J].通化師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2013.

[3]朱杰，孫潤廣.原子力顯微鏡的基本原理及其方法學(xué)研究[J]. 生命科學(xué)儀器，2005.

作者簡介：劉蘭嬌（1985-），女，吉林安圖人，碩士，初級實(shí)驗(yàn)員，研究方向：納米操作及測量。