一种原子力显微镜模拟实验装置及模拟方法与流程

本发明涉及一种高等院校物理实验教学装置及模拟方法，特别涉及一种原子力显微镜模拟实验装置及模拟方法。

背景技术：

原子力显微镜是利用原子力显微镜微探针扫描和观察待测样品表面微观形貌的实验测试仪器。由于原子力显微镜既具有很高的扫描成像分辨率，又不受微纳米样品的导电性和物质态的限制，因此可广泛应用于物理学、化学、微电子学、光电科学、生物医学、材料科学和微纳米加工等领域，极大地推动了纳米科学的发展。同时，原子力显微镜是集物理学、光学、电子学与计算机于一体的科学仪器，其中物理原理丰富、技术系统新颖、实验方法巧妙，现已成为大学物理实验中不可或缺的内容之一。在原子力显微镜系统中，微探针是其核心部件，由针尖和对原子力十分敏感的微悬臂两部分组成。当原子力显微镜微探针的针尖靠近样品表面时，探针尖端原子与样品表面原子之间将产生相互作用的原子力，并推动微悬臂使之发生形变弯曲；当微探针与样品在横向相对扫描时，通过检测微悬臂的形变量并将其转换成可被采集的电信号，即可获得样品表面的原子排布及纳米结构等信息。由于实际的原子力显微镜微探针尺寸很小，其微悬臂有效长度仅为100μm或200μm，因此是肉眼不可见的，在原子力显微镜实验过程中很容易损坏；同时，物理实验是大学生进校后的第一门实验课程，面向的是大一大二的学生，他们的实验技能还没有经过太多的训练。然而，原子力显微镜作为一种高精密的实验设备，其各部件价格昂贵，单一探针价格也较高，一般学校数量有限；且在原子力显微镜实验操作过程中，由于学生操作不当而造成原子力显微镜探针乃至仪器损坏的现象时有发生，不仅会造成使原子力显微镜实验的高成本、高消耗，并且严重影响教学实验进度。

技术实现要素：

针对上述存在的技术问题，本发明提出了一种原子力显微镜模拟实验装置及模拟方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种原子力显微镜模拟实验装置，包括底座、探针、样品台、激光器以及调节机构；所述底座包括底板和竖立安装板，其特征在于：还包括设置在同一水平面的偏转棱镜和位置敏感探测器(psd)，所述激光器设置在偏转棱镜的一侧，所述位置敏感探测器(psd)设置在偏转棱镜的另一侧；所述调节机构包括z向调节机构，所述z向调节机构设置在所述竖立安装板上；还包括用于安装探针的探针座和探针安装支架，所述探针经探针座及探针安装支架设置在z向调节机构上，可随z向调节机构上下调节；所述样品台包括xy调节机构和样品放置平台；所述探针包括悬臂和反射镜；所述激光器的发射出的激光经所述探针的所述反射镜反射至偏转棱镜，再经偏转棱镜传至位置敏感探测器(psd)。选取波长为650nm、功率为4mw的半导体激光器作为光源；所述的探针，由厚度为0.2mm的铜箔片制作而成，剪切出一个底边长约8mm、高约10mm的三角形作为悬臂，在其上表面顶点附近粘贴有长1.5mm、宽3.6mm的反射镜，便于反射激光束并实现光杠杆放大；三角形的顶端弯折，作为模拟针尖。

进一步地：还包括有机玻璃片，所述有机玻璃设置在所述探针上方，使所述激光器的发射出的激光经所述有机玻璃传至所述探针的所述反射镜，再经所述反射镜反射至依次传至有机玻璃、偏转棱镜和位置敏感探测器(psd)，让激光束留下径迹，以便学生观察。

进一步地：所述激光器、偏转棱镜和位置敏感探测器(psd)经同一安装板设置在所述z向调节机构，以保持与所述探针的相对位置不变及光路的稳定。

进一步地：所述反射镜设置在悬臂上表面顶端。

进一步地：所述悬臂顶端还包括向下弯折的针尖。

进一步地：所述z向调节机构包括粗调旋钮和细调旋钮，以便精确进行位置调节。

进一步地：所述竖立安装板还包括加强筋。

进一步地：所述探针安装支架包括相互固定连接的竖直杆和横向杆。

一种采用上述所述的一种原子力显微镜模拟实验装置的模拟方法，其特征在于：(1)将模拟样品放置至样品台上；(2)调节所述z向调节机构的粗调节旋钮，使探针移动至样品附近；(3)打开激光器，所述激光器发射的激光经所述有机玻璃传至所述探针的所述反射镜，再经所述反射镜反射至依次传至有机玻璃、偏转棱镜和位置敏感探测器(psd)；(4)调节所述z向调节机构的细调节旋钮，使探针与样品接触，使所述悬臂产生旋转变化，观察让激光束径迹以及并记录位置变化信息；(5)调节xy调节机构，使探针的悬臂产生旋转变化，观察让激光束径迹以及并记录位置变化信息；(6)实验结束，将探针及样品台调制初始位置；利用z向调节机构，使探针在z方向逼近模拟样品，直到两者接触，使微悬臂产生偏转，进而使反射光束发生偏转，从而模拟探针与样品之间的原子力作用机制，以及微悬臂偏转量的光束偏转法检测原理。

所述xy调节机构，由x与y微动台组合而成，实现样品的xy模拟扫描。在扫描过程中，保持模拟微探针的高度和位置不变，依次调节x微动台和y微动台，即可实现微探针对样品的模拟扫描。

本发明装置中的模拟探针是可视化的，且价格较低，通过本装置的使用，可满足学生在模拟微探针的弹性限度内，大胆改变微探针与样品的距离等实验参数，进行原子力作用机制的模拟观察及光束偏转法的模拟操作，进而进行xy模拟扫描，既直观便捷，又安全高效。一方面可以缓解实验装置数量的限制，另一方面还可通过采用本低成本的装置方式，使学生能够进一步了解原子力显微镜的扫描工作原理，熟练原子力显微镜的调节方法与手感，满足教学内容。此外，还可降低由于操作不当而造成原子力显微镜探针及实验仪器损坏的概率，大大节约了原子力显微镜实验的成本，同时提高了原子力显微镜的实验效率。

附图说明

图1为本发明原子力显微镜原理模拟实验装置的结构示意图。

图2为模拟探针俯视图。

图3为模拟探针侧视图。

附图标记：1-模拟样品；2-模拟探针；3-激光器；4-偏转棱镜；5-位置敏感探测器(psd器件)；6-z向调节机构；7-z向粗调旋钮；8-z向细调旋钮；9-xy调节机构；10-底板；11-竖立安装板；12-加强筋；13-样品安装架；14-透明有机玻璃；15-探针座；16-样品台；17-反射镜；18-反射光束；19-模拟针尖

具体实施方式

如图1所示，一种原子力显微镜模拟实验装置，包括模拟样品1、模拟探针2、激光器3、偏转棱镜4、位置敏感探测器(psd器件)5、z向调节机构6、xy调节机构9等部分。底座包括底板10和竖立安装板11。还包括设置在同一水平面的偏转棱镜4和位置敏感探测器(psd器件)5，所述激光器3设置在偏转棱镜4的一侧，所述位置敏感探测器(psd)5设置在偏转棱镜5的另一侧，且均安装在同一安装板上，安装在z向调节机构6上。所述调节机构包括z向调节机构6，所述z向调节机构6设置在所述竖立安装板11上；还包括用于安装模拟探针2的探针座15和探针安装支架，所述模拟探针2经探针座15及探针安装支架设置在z向调节机构6上，可随z向调节机构6上下调节；所述样品台包括xy调节机构9和样品放置平台16；所述探针包括悬臂和反射镜17；所述激光器3的发射出的激光经所述模拟探针2的所述反射镜17反射至偏转棱镜4，再经偏转棱镜4传至位置敏感探测器(psd)5。其中激光器3选取波长为650nm、功率为4mw的半导体激光器作为光源；所述的探针2，由厚度为0.2mm的铜箔片制作而成，剪切出一个底边长约8mm、高约10mm的三角形作为悬臂，在其上表面顶点附近粘贴有长1.5mm、宽3.6mm的反射镜，便于反射激光束并实现光杠杆放大；三角形的顶端弯折，作为模拟针尖。探针安装支架包括相互固定连接的竖直杆和横向杆。

还包括透明有机玻璃片14，所述透明有机玻璃14设置在所述探针2上方，使所述激光器3的发射出的激光经所述有机玻璃14传至所述模拟探针2的所述反射镜17，再经所述反射镜17反射至依次传至有机玻璃14、偏转棱镜4和位置敏感探测器(psd)5，让激光束留下径迹，以便学生观察。偏转棱镜4与psd器件5，用于监视微悬臂及反射光束的偏转量；透明有机玻璃片14主要是为了让激光束留下径迹，以便学生观察，如果没有这个有机玻璃片，激光束在空气中是没有路径痕迹。z向调节机构6安装在竖立安装板11上；z向调节由粗调旋钮7和细调旋钮8组成。xy调节机构9由x与y二维微动台组合而成，模拟样品1固定在样品台16上，样品台16固定在xy调节机构9上，通过调节xy调节机构9，实现样品的xy模拟扫描。

原子力显微镜原理模拟实验装置中的所有部件，都以同一块底板10作为基础；竖立的安装板11，采用斜加强筋12进一步固定；模拟探针2、激光器3、偏转棱镜4和位置敏感探测器(psd)5等都安装在同一z向调节机构6上，以保持四者的相对位置不变及光路的稳定。

如图2所示，模拟探针2由厚度为0.2mm的铜箔片制作而成，剪切出一个底边长约8mm、高约10mm的三角形作为微悬臂，在其上表面顶点附近粘贴有长1.5mm、宽3.6mm的微反射镜17，便于反射激光束并实现光杠杆放大。如图3所示，三角形的微悬臂顶端向下弯折，作为模拟针尖19。

一种采用上述所述的一种原子力显微镜模拟实验装置的模拟方法，(1)将模拟样品放置至样品台上；(2)调节所述z向调节机构的粗调节旋钮7，使模拟探针2移动至样品附近；(3)打开激光器3，所述激光器3发射的激光经所述有机玻璃14传至所述探针的所述反射镜17，再经所述反射镜17反射至依次传至有机玻璃14、偏转棱镜4和位置敏感探测器(psd)5；(4)调节所述z向调节机构的细调节旋钮8，使模拟探针2与样品接触，使所述悬臂产生旋转变化，观察让激光束径迹以及并记录位置变化信息；(5)调节xy调节机构9，使探针的悬臂产生旋转变化，观察让激光束径迹以及并记录位置变化信息；利用z向调节机构6，使模拟探针2在z方向逼近模拟样品，直到两者接触，使微悬臂产生偏转，进而使反射光束发生偏转，从而模拟探针与样品之间的原子力作用机制，以及微悬臂偏转量的光束偏转法检测原理。

所述xy调节机构，由x与y微动台组合而成，实现样品的xy模拟扫描。在扫描过程中，保持模拟微探针的高度和位置不变，依次调节x微动台和y微动台，即可实现微探针对样品的模拟扫描。

原子力显微镜原理模拟实验装置是利用实际的物理学、光学、电子学和精密机械集成模块，实现原子力显微镜的原理、微探针的进给操作和样品的扫描成像模拟仿真。实验的内容等同于标准实验，实验控制操作与标准系统相同。由于实际的原子力显微镜微探针尺寸很小，其微悬臂有效长度仅为100μm或200μm，因此是肉眼不可见的，在原子力显微镜实验过程中很容易损坏；而本系统中的模拟探针是可视化的，学生可在模拟微探针的弹性限度内，大胆改变微探针与样品的距离等实验参数，进行原子力作用机制的模拟观察及光束偏转法的模拟操作，进而进行xy模拟扫描，既直观便捷，又安全高效。一方面可以缓解实验装置数量的限制，另一方面还可通过采用本低成本的装置方式，使学生能够进一步了解原子力显微镜的扫描工作原理，熟练原子力显微镜的调节方法与手感，满足教学内容。此外，还可降低由于操作不当而造成原子力显微镜探针及实验仪器损坏的概率，大大节约了原子力显微镜实验的成本，同时提高了原子力显微镜的实验效率。