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原子力顯微鏡是具有極高分辨率和穩定性的表面測量儀器，是納米技術發展的重要基礎。同時這項技術已廣泛應用于材料、生物、化學和環境等領域。本裝置利用自動化、光電轉換、光杠桿原理等技術，形象的演示了其工作原理。并通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的微弱的相互作用力來研究物質的表面結構信息。

實驗原理 AFM是SPM家族中應用領域最為廣泛的表面觀察與研究工具之一。其工作原理基于原子之間的相互作用力。當一根十分尖銳的微探針在縱向充分逼近樣品表面至數納米甚至更小間距時，微探針尖端的原子和樣品表面的原子之間將產生相互作用的原子力。原子力的大小與間距之間存在一定的曲線關系。在間距較大的起始階段，原子力表現為引力，隨著間距的進一步減小，由于價電子云的相互重疊和兩個原子核的電荷間的相互作用，原子力又轉而表現為排斥力。這種排斥力隨著間距的縮短而急劇增大。AFM正是利用原子力與間距之間的這些關系，通過檢測原子間的作用力而獲得樣品表面的微觀形貌的。   儀器概述 AFM采用對微弱力極其敏感的微懸臂作為力傳感器──微探針。微懸臂一端固定，另一端置有一與微懸臂平面垂直的金字塔狀微針尖。當針尖與樣品之間的距離逼近到一定程度時，兩者間將產生相互作用的原子力，其中切向力（摩擦力）Ft使微懸臂扭曲，法向（縱向）力Fn將推動微懸臂偏轉。我們所關心的主要是縱向力Fn，它與針尖──樣品間距成一定的對應關系，即與樣品表面的起伏具有對應關系。微懸臂的偏轉量十分微小，無法進行直接檢測，采用光學方法將偏轉量放大，可推知微懸臂偏轉量（即原子力）的大小，最終獲得樣品表面的微觀形貌。   儀器特點 特有的臥式探頭 臥式AFM探頭設計，使原子力作用方向與重力方向垂直而互不干擾；降低了探頭的整體重心；克服了原有粗調與微調逼近機構的垂直蠕動；具有獨特的臥式可視化光路。探頭及儀器性能更加穩定和優越。   穩定的三軸壓電掃描器 采用互相正交的三軸壓電陶瓷掃描控制器，X、Y、Z三軸壓電陶瓷之間互不耦合，可保證掃描圖像不因耦合而失真；掃描器具有更好的掃描線性和獨立性、更高的強度和剛度，兼具更強的掃描驅動力，能同時適用于較小與較大、較輕與較重樣品的掃描成像。   優化的檢測與控制系統 采用優化的微納米掃描與反饋控制電路系統，配以多路高精度A/D&D/A控制接口，可獲得更高的掃描分辨率、更好的重復性和更佳的圖像質量。   完善的軟件界面與功能 功能強大、界面友好，可適用于Windows XP/Win7/Win8/Win10等操作系統。一般操作者均可輕松而熟練地掌握，只需點擊鼠標，即可完成從圖像掃描到圖像處理及數據信息計算的全部操作。可用鼠標任意選擇局部掃描區域，實現圖像平移、定位和縮放；可設定掃描次數并自動控制掃描停止；具有實現X、Y方向的面掃描和線掃描的功能；可獲得樣品表面的納米級三維形貌結構和截面線；高質量的彩色/黑白平面圖像顯示與三維立體圖像顯示；具有圖像的二維和三維納米標尺標注功能及粒徑測量功能；具備納米級表面微觀粗糙度的統計及計算功能；可精確測定樣品表面的微納米級臺階高度和深度；完善的圖像處理功能，包括裁剪、粘貼、旋轉、對比調節、亮度調節、顏色調整、背景色調整、圖像平滑、濾波等。   簡單便捷的儀器操作 AFM的操作十分簡單和便捷，一般操作人員即可完成，無需專人操作和維護。安裝探針、安裝樣品、粗調和微調進樣、圖像掃描、圖像存儲等操作，均可在1分鐘內完成。特別適用于科學研究、教學實驗及產品檢測。   高穩定性與抗干擾能力 AFM既可在良好的實驗條件下完美工作，也可在有一般實驗室、普通桌面、有輕微振動、有環境干擾、有光照等條件下正常運作，快速掃描觀察各種微納米樣品，獲得理想的圖像和微納米結構信息。具備更好的穩定性和抗震性，更強的抗（光、電、磁等）干擾能力，更快的掃描速度（最快1幅圖像/1~6秒，作為對比，進口儀器的掃描速率一般為1幅圖像/10~20分鐘甚至更慢）。   高適用性廣泛應用領域 可同時適用于科學研究、本科生和研究生的教學實驗及納米技術產品的檢測，廣泛適用于各種金屬/非金屬、導體/非導體、磁性/非磁性材料樣品的掃描檢測。對被測材料樣品無特殊要求，免去繁瑣的樣品制備過程，可直接掃描獲得微納米結構信息。   實驗內容與典型實驗數據 部分掃描測試樣品的AFM圖像   部件列表 描述 數量 原子力顯微鏡探頭 1 控制機箱 1 直流高壓電源 1 A/D&D/A控制接口卡 1 AFM微探針 15組60 tips USB光學顯微鏡 1 一體機, 含AFM掃描控制軟件 1 樣品 5 剪刀、鑷子、啟子、放大鏡等工具 1

原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)，是一種可用來研究包括絕緣體在內的固體材料表面結構的分析儀器。它通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質的表面結構及性質。將一對微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發生形變或運動狀態發生變化。掃描樣品時，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級分辨率獲得表面形貌結構信息及表面粗糙度信息。 原子力顯微鏡主要由帶針尖的微懸臂，微懸臂運動檢測裝置，監控其運動的反饋回路，使樣品進行掃描的壓電陶瓷掃描器件，計算機控制的圖像采集、顯示及處理系統組成。微懸臂運動可用如隧道電流檢測等電學方法或光束偏轉法、干涉法等光學方法檢測，當針尖與樣品充分接近相互之間存在短程相互斥力時，檢測該斥力可獲得表面原子級分辨圖像，一般情況下分辨率也在納米級水平。AFM 測量對樣品無特殊要求，可測量固體表面、吸附體系等。

項目簡介 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)，是一種可用來研究包括絕緣體在內的固體材料表面結構的分析儀器。它通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質的表面結構及性質。將一對微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發生形變或運動狀態發生變化。掃描樣品時，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級分辨率獲得表面形貌結構信息及表面粗糙度信息。原子力顯微鏡主要由帶針尖的微懸臂，微懸臂運動檢測裝置，監控其運動的反饋回路，使樣品進行掃描的壓電陶瓷掃描器件，計算機控制的圖像采集、顯示及處理系統組成。微懸臂運動可用如隧道電流檢測等電學方法或光束偏轉法、干涉法等光學方法檢測，當針尖與樣品充分接近相互之間存在短程相互斥力時，檢測該斥力可獲得表面原子級分辨圖像，一般情況下分辨率也在納米級水平。AFM 測量對樣品無特殊要求，可測量固體表面、吸附體系等。a 傳統的商業CAFM 針尖圖  b 覆蓋有石墨烯層的CAFM 針尖應用范圍原子力顯微鏡(AFM) 在許多基礎研究領域中得到廣泛使用，是超微觀察工具，特別是對于不具有導電性的生物樣品和有機材料等，AFM 同樣可以提供較高分辨率的表面形貌圖像。同時，AFM 還具有操縱和改造原子、分子世界的手段。原子力顯微鏡為了避免加寬效應，一般通過電子束加工針尖使其曲率半徑達到幾個納米，來提高圖像的分辨率和準確度。但仍然存在著一些局限性，例如：針尖性質的變化很大，獲得高分辨率的圖像變得很難。另外，針尖掃描時的磨損對分辨率也有影響。AFM 能獲得原子分辨率，主要是因為在其針尖的表面存在著原子級的突起，構成了與樣品的實際接觸。但是這些突起的尺寸形狀和化學組成是未知的，而且在實驗中經常發生改變，因此獲得可信賴的針尖是成像過程中獲得高分辨率的關鍵。不同的針尖適用于AFM 不同的應用領域。導電原子力顯微鏡（CAFM）采用固體金屬作AFM 的針尖，對材料進行納米尺度的電學表征依然存在著同樣的困擾。 項目階段北京大學工學院研究團隊利用單層石墨烯包覆CAFM 金屬針尖，發現石墨烯包覆的針尖保留了包覆前針尖的形狀，并且包覆的針尖能承受非常高的電流和摩擦力。新型針尖具有穩定、耐磨、壽命長、圖像失真度低等優點，很好的解決了現有AFM 針尖中存在的問題，提高了AFM 的儀器性能。知識產權該項研究已經申請了歐洲專利，納米技術設備領域的諸多公司表現出了對該項研究成果的強烈興趣。合作方式 技術轉讓、合作開發、技術入股。

本發明公開了一種原子力探針位姿調節裝置,包括探針座，調節 機構和連接頭。其中探針座用于原子力探針的安裝固定；調節機構包 括由下至上的第一調節部件、第二調節部件、第三調節部件、第四調 節部件以及第五調節部件，分別用于原子力探針的里外水平偏擺、左 右水平、上下旋轉、上下俯仰以及上下豎直位姿調節；連接頭用于與 原子力探針測量系統的顯微物鏡相連。本發明能夠實現原子力探針任 意姿態的細微調節，各個調節動作相互獨立，互不影響，提高了探針 姿態的調節精度；且能夠對調節后的位姿進行鎖定，使其保持穩定， 進一步保證原子力探針測量系統的穩定性和精度。 

本發明公開了一種可溯源白光干涉原子力探針自動定位工件方 法，該方法包括如下步驟：在納米級位移平臺運動之前記錄下激光干 涉位移計量系統的初始位移；接著其在垂直方向上快速產生一個適量 的位移，在位移發生后通過零級條紋的移動量是否在閾值范圍內來判 斷原子力探針是否定位到工件，而如果納米級垂直位移平臺在到達極 限的位移運動時還未定位到工件，記錄下其最終位置，并將納米級垂 直位移平臺復位，重復上述步驟，直至定位到工件。按照本發明設定 的自動定位的方法，不受原子力探針與工件之間的距離限制，同時在定位過程中對位移進行計量，可實現可溯源，而采用零級條紋的移動 量來判斷探針是否定位到工件具有定位快速和高精度的顯著效果。 

一種用于原子力顯微鏡的氣氛控制系統，其特征在于：氣體瓶一（1a）和氣體瓶二（1b）分別通過流量計一（3a）、流量計二（3b）與混合氣管（4）的進氣口相連，混合氣管（4）的出氣口通過進氣腔（6）與原子力顯微鏡上的氣氛腔（7）的進氣口相連。該系統能為原子力顯微鏡提供不同氣體、各種比例組成的可控混合氣氛，從而使原子力顯微鏡能進行各種比例的不同氣體組成的混合氣氛下微機電系統的磨損失效、防護機理的模擬試驗與研究，從而為相應混合氣氛工作中的微機電系統的設計、制造與維護提供更準確、可靠的試驗依據，以降低微機電系統的磨損，提高微機電系統的使用壽命。

本發明公開了一種基于原子力顯微鏡的多功能組合探針系統。該系統能在各種設定的工作環境中通過程序控制原位切換具有不同功能的探針，從而在同一實驗區域原位實現微觀摩擦磨損實驗、表面形貌掃描、晶體結構演變探測和摩擦能量耗散測量等功能。該系統在原位切換探針時，無需破壞工作環境，有效避免外界環境對樣品表面的污染。

本發明公開了一種原子力探針位姿調整機構。包括探針座，調 節機構和連接頭。其中探針座用于原子力探針的安裝固定;調節機構 包括由下至上的第一調節部件、第二調節部件、第三調節部件以及第 四調節部件，分別用于原子力探針的里外水平偏擺、左右水平和上下 旋轉、上下俯仰以及上下豎直位姿調節;連接頭用于與顯微物鏡相連。 本發明能夠實現原子力探針姿態在五個自由度上的細微調節，各個調 節動作相互獨立，彼此不發生干涉，互不影響，提高了探針姿態的調 節精度;且能夠對調節后的位姿進行鎖定，使其保持穩定。

本發明公開了一種基于白光干涉原子力探針掃描顯微鏡探針系 統的成像自動調整裝置自動及其控制方法，該裝置主要包括計算機， 夾持機構及鉸鏈機構，原子力探針及其探針組件，白光干涉顯微系統， 面 CCD 光路連接筒。在白光干涉原子力探針顯微鏡連接完成的情況 下，根據面 CCD 上探針的成像與面 CCD 坐標系的水平夾角，通過計算機來控制舵機偏轉一定的角度，使得原子力探針在面 CCD 中的成像 與面 CCD 坐標系中的夾角在誤差范圍內，從而得到測量的結果有較小 的測量誤差。本發明可以實現探針在面 CCD 中的成