针对本科实验教学的需要,采用基于石英音叉的压电自感应探针替代传统的激光检测型微悬臂探针,实现了自感应探针的自激发、自检测和频率调制的形貌成像,研制了原理清晰、简单易用的原子力显微镜教学仪器,可显著提升物理实验的教学效果。
一、背景
原子力显微镜(AFM)被称为纳米科技的“眼睛和手”,是纳米尺度物性测量中不可或缺的科学仪器。目前,国内外已有许多高校开设了基于AFM仪器的本科实验项目。然而, AFM属于精密科学仪器,已有的AFM仪器产品主要面向科研或工业应用,操作复杂,对实验人员要求较高,开设本科实验项目效果不理想。目前,国内外尚未见有采用压电自感应探针的AFM仪器产品。
二、仪器组成与工作原理
自制的AFM教学仪器不仅能够兼容使用传统的基于激光检测的微悬臂探针,还能够使用2种自感应探针,具备传统AFM的所有功能。AFM教学仪器主要由力传感探针、反馈控制系统、压电扫描系统、位置粗调系统、以及计算机控制与数据处理系统等组成。与通常基于激光检测原理的AFM不同的是,音叉型压电自感应探针可采用自激发和自检测的驱动传感方式,AFM的形貌成像采用“频率调制”和锁相技术测得探针振动频率,通过反馈与控制系统构建出样品表面的形貌图像,不仅使用方便而且测量更加准确。
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图1. 自感应探针AFM的仪器实物照片。 | 图2.AFM教学仪器的主机。
1.主机探头1.1.探针架1.2.观察窗口 1.3.激光位置的调节旋钮 1.4.探测器位置的调节旋钮 2.主机底座2.1.样品位置的调节旋 | 图3 .AFM教学仪器可使用的各种AFM探针
(a)常规的激光检测用的微悬臂探针; (b)商品化的音叉型自感应探针(A-Probe); (c)拟研发的对称结构音叉型自感应探针(原型照 片,针尖未处理) |
三、实验内容与应用效果
| 图4. 自感应探针的Q曲线测量结果。 AFM教学仪器可用于开设AFM形貌观察、力传感、纳米刻蚀等实验项目,也可用于综合性、开放性、创新型或研究型教学实验等扩展实验内容。 | | 图5.采用自感应探针AFM 获得的典型的频移-距离曲线。图中所示的频移-距离曲线可等效变换为力梯度-距离曲线,并可以进一步分析得到被测样品在纳米尺度的黏弹等物理特性。 |
| 图6.用激光检测探针扫描得到的AFM形貌图(5 μm×5 μm)。 (a)接触模式形貌图 (b)轻敲模式形貌图 | | 图7.采用自感应探针AFM 扫描得到的形貌图(软磁盘样品)。 (a)28 μm×28 μm (b)8 μm×8 μm |
四、结论
采用基于石英音叉的压电自感应探针作为AFM中的力传感探针,实现自感应探针的自激发、自检测和频率调制的测量成像,物理原理更加清晰。
采用自感应探针研发的AFM教学仪器具有结构简单、使用方便等显著优点,能够开设一系列的本科实验项目,契合本科实验教学的要求。