一、实验目的

1.了解原子力显微镜的发展历史、工作原理、组成结构与应用特点（如对样品的要求），学习原子力显微镜中常用的力测量方法及其力传感探针的结构特点（光杠杆法、自感应法等），掌握仪器的调节和使用方法；

2.了解原子力显微镜的接触模式、轻敲模式（幅度调制）或频率调制等形貌成像模式的工作原理与特点，掌握用原子力显微镜扫描获得纳米尺度形貌图像的方法、以及图像数据的处理方法；

3.了解原子之间相互作用力的特点，掌握原子力显微镜中的力-距离曲线（或力梯度距离曲线）的测量与分析方法；

4.学习用原子力显微镜进行形貌观察的方法，以及形貌特征的定量分析方法，完成典型的应用实验或开展相关应用的科学探究；

5.学习利用原子力显微镜进行纳米加工刻蚀的工作原理和实验方法；

6.学习基于原子力显微镜的纳米力学测量的实验方法、定量分析方法和典型应用。

二、科学素养

1.以原子力显微镜为代表的扫描探针显微镜被称为“纳米科技的眼睛和手”；通过了解纳米科技领域的最新发展，包括扫描探针显微镜的发展现状与应用成果，培养实事求是、不骄不躁、埋头苦干的科学精神和时代所赋予的使命感。

2.原子力显微镜目前在前沿科研研究和工业制造领域仍有着广泛而深入的应用，如：亚原子超高分辨率成像、单原子的操纵和辨识、原子尺度的电磁物性测量，以及在物理、化学、材料、生物等领域的代表性应用成果；

3.了解原子力显微镜仪器的技术及产品的最新情况，如纳米定量力学、超高分辨成像、快速成像、自感应探针等等。

三、实验内容

（一）基础内容（A类）

1.了解原子力显微镜及其探针的工作原理（光杠杆法、自感应法等）、仪器结构与应用特点（与光学显微镜和电子显微镜相比较），掌握原子力显微镜的工作模式及仪器的调节方法和操作步骤；

2.原子力显微镜形貌成像实验，典型的实验内容包括：软磁盘或光盘等常规样品的形貌成像、光栅样品的形貌成像；

3.原子力显微镜形貌图像的处理与分析实验，包括：图像去噪、格式变换、三维图、剖面图、频域处理（如频谱分析）、关键尺寸量测（如颗粒直径或高度）、特征提取（如粗糙度分析）、图像标注和发表等；

4.典型的力-距离曲线（或力梯度-距离曲线）的测量与分析。

（二）提升内容（B类）

1.纳米台阶的形貌观察与高度测量（如石墨烯二维材料上的原子台阶）；

2.用AFM测量液体膜的厚度；

3.图形化纳米加工实验，如纳米尺度的个性化图形制作、个人签名体验。

（三）进阶内容（C类）

1.其它代表性样品（如集成电路芯片、手性分子材料等）的纳米形貌观察及特征分析，或光栅样品的形貌成像、关键尺寸测量与特性分析；

2.用原子力显微镜的力-距离曲线（或力-梯度距离曲线）测量分析获得材料的纳米微观力学特性（如弹性、粘性、硬度）；

3.用原子力显微镜测量纳牛顿量级的力，探究原子间作用力（吸引力 or 排斥，有多大等等）。

（四）高阶内容（D类）

1. 光电材料（如太阳能基板）或光滑表面（抛光金属、镀层）在纳米尺度的表面形貌与机理探究；

2. 力谱前沿应用探究，如用原子力显微镜的力谱研究DNA的折叠结构；

3. 基于导电原子力显微镜（CAFM）、静电力显微镜（EFM）或磁力显微镜（MFM）的工作原理及其应用的实验。

4．原子力显微镜自感应探针的制备、控制和力传感及其仪器的优化和应用的实验。

四、能力培养

1.纳牛或皮牛级力信号的测量方法和原理，物理精密测量仪器的原理、操作与使用；

2.纳米尺度的物性表征、定量分析和纳米操纵的方法；

3.原子力显微镜在前沿科学研究领域的典型应用和研究方法；

4.微弱信号测量、仪器技术、仪器设计及其应用能力。

五、知识点

原子或分子间的相互作用力，纳牛或皮牛级的力测量（光杠杆法、自感应法），力传感器设计原理、原子力显微镜的成像模式、原子力显微镜形貌图像的分析、纳米定量力学（液体膜厚度测量、粘弹性分析）、纳米加工方法及其应用，纳米材料前沿研究、仪器测控技术，电子技术、软件编程。

注：

1、建议部分或全部基础内容必修，同时根据各校学科专业的特点、学时要求，组合部分BCD内容；

2、科学素养包括：实验背景、课程思政、实验仪器和方法在当代科技中的应用。

3  本文由中山大学丁喜冬正高级实验师和北京航空航天大学钱建强教授共同起草，于2022年9月27日完成初稿并提交给“标准化工作组”。