虛實一體的原子力顯微鏡實驗系統

李小云，朱暉文，章海軍

（1. 浙江理工大學 理學院，浙江省物理實驗教學示范中心，浙江 杭州 310018；2. 浙江大學 光電科學與工程學院，現代光學儀器國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

由于原子力顯微鏡（AFM）既具有很高的掃描成像分辨率，不受微納米樣品的導電性和物質態的限制，因此可廣泛應用于物理學、化學、微電子學、光電科學、生物醫學、材料科學和微納米加工等領域，極大地推動了納米科學的發展[1-2]。AFM 是集物理學、光學、電子學與計算機于一體的科學儀器，其中物理原理豐富、技術系統新穎、實驗方法巧妙，現已成為大學物理實驗中不可或缺的內容之一。在AFM系統中，微探針是其核心部件，由針尖和對原子力十分敏感的微懸臂兩部分組成。當 AFM 微探針的針尖靠近樣品表面時，探針尖端原子與樣品表面原子之間將產生相互作用的原子力，并推動微懸臂使之發生形變彎曲；當微探針與樣品在橫向相對掃描時，通過檢測微懸臂的形變量并將其轉換成可被采集的電信號，即可獲得樣品表面的原子排布及納米結構等信息[3]。

在 AFM 實驗操作過程中，由于學生操作不當而造成 AFM 探針乃至儀器損壞的現象時有發生，使AFM實驗成本較高。同時，在目前的高校物理實驗教學中，現行的實驗訓練在課程設計、實驗儀器系統及教學實踐的某些環節存在著亟需改進和優化之處[4]。為此，本文根據“教育部辦公廳關于開展2015年國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知”的精神[5]，以及物理學史在工科大學物理實驗中的教育功能[6-13]，探索新的實驗教學模式。針對學生創新思維培養不夠、實驗消耗大、實驗成本高等情況，本文提供一種可靠、安全、經濟和高效的虛實一體的原子力顯微鏡實驗項目。

1 虛實一體的原子力顯微鏡實驗系統

1.1 AFM原理演示及模擬掃描軟件系統

AFM 原理演示及模擬掃描軟件系統由顯微鏡發展史視頻（圖1）、AFM原理演示PPT、模擬掃描軟件等組成。通過視頻了解顯微鏡特別是掃描探針顯微鏡的創新發展歷史，讓學生感受其中的創新思維。如圖2所示，通過AFM原理演示PPT展示學習原子之間的作用力、激光光束偏轉法及光杠桿放大、位置敏感探測器（PSD）的光電轉換等原理。利用AFM模擬掃描軟件，實現不同模式、不同速度、不同范圍的模擬掃描及仿真演示（圖 3），從而全面系統地學習掌握AFM的掃描成像原理及實驗操作過程。

圖1 顯微鏡的創新發展史視頻截圖

通過顯微鏡發展史視頻與 AFM 原理演示及模擬掃描軟件系統的課前預習，回顧顯微鏡的發展歷史，特別是感受掃描探針顯微鏡發展過程中的創新思維和不屈不撓的精神，這種科學文化引領的教學方式激發了學生的批判性和創造性思維，克服了教學方式方法單一的問題。

圖2 AFM原理演示PPT的部分展示圖

圖3 AFM模擬掃描軟件及二維與三維圖像顯示界面

1.2 AFM模擬演示探頭系統

AFM 模擬演示探頭系統由模擬微探針、模擬樣品、激光器、偏轉棱鏡、PSD器件、Z向調節機構、XY調節機構等部分組成，如圖4所示。模擬微探針由厚度為 0.2 mm的銅箔片制成，剪切出一個底邊長約8 mm、高約10 mm的三角形作為微懸臂，在其上表面頂點附近粘貼有長1.5 mm、寬3.6 mm的微反射鏡，便于反射激光束并實現光杠桿放大；三角形的頂端彎折，作為模擬針尖。選取波長為650 nm、功率為4 mW的半導體激光器作為光源。在直徑20 mm的亞克力圓片上播撒和粘貼粒徑為0.25 mm的小珠子，制成模擬樣品。反射光束、偏轉棱鏡與PSD等，用于監視微懸臂及反射光束的偏轉量。利用Z向調節機構，使模擬探針在Z方向逼近模擬樣品，直到兩者接觸，使微懸臂產生偏轉，進而使反射光束發生偏轉，從而模擬微探針與樣品之間的原子力作用機制，以及微懸臂偏轉量的光束偏轉法檢測原理。XY調節機構由X與Y微動臺組合而成，實現樣品的XY模擬掃描。在掃描過程中，保持模擬微探針的高度和位置不變，依次調節X微動臺和Y微動臺，即可實現微探針對樣品的模擬掃描。

圖4 AFM模擬演示探頭系統及模擬微探針示意圖

圖5 AFM-IIa型與Cyphe型原子力顯微鏡實物照片

AFM模擬演示探頭系統實現AFM的原理、微探針的進給操作和樣品的掃描成像模擬仿真。實驗內容等同于標準實驗，實驗控制操作與標準系統相同。由于實際的 AFM 微探針尺寸很小，其微懸臂有效長度僅為100 μm或200 μm，因此是肉眼不可見的，在AFM實驗過程中很容易損壞。本系統中的模擬探針是可視化的，學生可在模擬微探針的彈性限度內，大膽改變微探針與樣品的距離等實驗參數，進行原子力作用機制的模擬觀察及光束偏轉法的模擬操作，進而進行XY模擬掃描，既直觀便捷，又安全高效。通過 AFM 模擬演示探頭系統的操作，學生能夠進一步了解 AFM的掃描工作原理，熟練 AFM 的調節方法與手感，從而使其在進入真正的 AFM 實驗環節的時候，降低由于操作不當而造成 AFM 探針及實驗儀器損壞的概率，大大節約了AFM實驗的成本，同時提高了AFM的實驗效率。

1.3 AFM實驗儀器裝置

本校AFM實驗儀器裝置有兩種，分別是AFM-IIa型與Cypher型原子力顯微鏡。AFM-IIa型原子力顯微鏡由AFM探頭系統（主體）、低壓與高壓控制機箱、高壓直流電源、A/D&D/A接口和計算機系統等部分組成，如圖 5(a)所示。AFM 探頭系統包括機、光、電 3部分，由基座、微探針（微懸臂）、樣品及樣品臺、XY掃描控制器、Z向反饋控制器、激光器、光路系統、PSD器件、粗調和微調機構等構成。控制機箱包括前置放大器、PID反饋控制電路、XY掃描控制電路、多路高壓放大電路、數字顯示電路、低壓直流電源等。高壓直流電源輸出+350V的直流電壓，提供給高壓放大電路，驅動壓電陶瓷的掃描與反饋運動。計算機控制系統包括高速多通道A/D板、高速多通道D/A板、圖像采集卡、電壓跟隨與保護電路、掃描成像軟件、圖像處理與數據分析軟件、圖像擷取軟件等。在物理實驗課堂上要求學生對不同的微納米樣品進行X和Y方向的面掃描和線掃描，獲得樣品表面的納米級三維形貌結構和截面線，進行圖像的結構尺寸測量與標注，完成納米級表面微觀粗糙度的統計及計算，以及測定樣品表面的微米/納米級臺階高度和深度等[14-15]。

Cypher型原子力顯微鏡是高分辨率的快速掃描原子力顯微鏡，如圖5(b)所示。在完成AFM-IIa型原子力顯微鏡實驗后，引導創新能力強的優秀學生進一步到 Cypher型原子力顯微鏡上進行該實驗的拓展與創新，使其深刻體會物理的可用性與前沿性。

AFM實驗包含前沿性的物理原理及機、光、電、算等技術的綜合實驗，通過本實驗的教學與實踐，可以很好地培養未來新興產業和新經濟需要的具有“學科交叉融合”的特征的、工程實踐能力強、創新能力強的高素質復合型人才。

2 虛實一體的原子力顯微鏡實驗教學模式

虛實一體的原子力顯微鏡實驗是基于半實物、半虛擬仿真理念建立的。通過 AFM 原理及演示軟件系統學習應用，使學生了解顯微鏡相關知識、實驗技術、實驗方法產生的歷史背景，感受其中的創新精神，培養學生獨立的批判性思維、能夠適應不斷變化環境的能力；通過AFM模擬演示探頭及系統，實現低成本、高效地對 AFM 操作的模擬操作訓練；通過原子力顯微鏡裝置實現實驗數據的測量，并通過課后探索對所學知識的進行創新實踐、應用拓展，通過虛實一體的原子力顯微鏡實驗，建立了“回顧歷史、觸摸現在、遇見未來”的四維空間教學模式，見圖 6。本文教學模式得到了普遍的認可，與此相關的教學改革得到教育部與學校的多項立項支持，該成果現已在浙江理工大學、浙江大學等高校得到推廣應用，并取得良好效果。

圖6 四維空間的物理實驗教學模式圖

3 結語

本文研發了 AFM 原理演示及模擬掃描軟件系統和 AFM 模擬演示探頭系統，實施了一種虛實一體的原子力顯微鏡實驗系統，實現了低成本、高效率地對學生進行創新思維、操作技能、知識整合等層次的訓練，并建立了“回顧歷史、觸摸現在、遇見未來”的四維空間物理實驗教學模式。這一虛實結合的實驗教學模式不僅大大降低了實驗成本，顯著提高了實驗效率和實驗教學效果，并解決了實際實驗教學中存在的在時空、深度和廣度等方面的不足問題，可對學生的創新思維和動手能力培養起到顯著的促進作用。