原子力显微镜实验教学设计

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随着现代科学技术以及经济的发展.对人才培养的要求也在相应提高.各高歇始将许多价值昂贵的测试设备应用于研究生的实验教学。这类测试设备原理先进，涉及的知识面宽、自动化程度也较高，如何结合研究生实验教学的特点 .对原子力显微镜用于实验教学进行课程内容及方法设计.激励学生的创新意识.锻炼和培养学生的创新能力.以期最大限度地发挥该类测试设备应用于实验教学的作用，是-个值得研究的重要课题1 研究生实验教学的特点研究生实验教学由于其所授课对象有别于本科生.具有如下特点：1.1 学生层次较高研究生-般为本科学生中的佼佼者.其知识结构层次和知识量已大大超越刚进校门的大学生.对知识的理解和运用也明显高于本科生。

1.2 学生的动手能力较强通过大学生涯的普通物理实验、技术物理实验以及各专业实验课的培养锻炼，学生的动手能力已得到大幅度的提高.为开展价值昂贵的测试设备实验提供了前提基础1.3 对指导老师的要求更高正因为授课对象的上述特点.需要指导教师对相关领域的知识和技术有更加深刻、独特的理解。

2 实验开设构想本实验面向研究生层面开设.除重点理解原子力显微镜的工作原理、测试方法以及测试结果外，引导学生举-反三，融会贯通的能力。

3 实验课程内容及教学方法设计原子力显微镜是-台高水平、高精度、高技术前沿的尖端测试设备，涉及到光、机、电、计、信号处理等方面的知识，在实验中如何做到让学生能够真正理解并将这些知识融会贯通是衡量该类实验教学是否成功的-个重要指标 .也是课程内容及教学方法设计必须注意的原则。

3.1 实验课程内容安排为了让学生能对原子力显微镜有更好地认识和理解 .按照预备知识、原子力显微镜工作原理、实验 目的、实验内容 、实验操作等多个方面对课程的教学内容进行安排3.1.1 预备知识本课程涉及的相关知识有光学检测、光电技术、激光原理、机械控制、计算机、信号处理等方面的内容，有必要先对学生进行相关知识背景的介绍。

讲述显微镜的发展历史(光学显微镜-电子显微镜-原子力显微镜).让学生了解科技发展的历史3.1.2 原子力显微镜工作原理原子力显微镜作为扫描探测显微镜的-种.其大致的工作原理与扫描探测显微镜是-致的。但它巧妙地利用了光杠杆的原理。原子力显微镜的基本工作原理：将-个对微弱力极敏感的微悬臂-端固定。

另-端有-微小的针尖.针尖与样品表面轻轻接触 .由于针尖尖端原子与样品表面原子问存在极微弱的排斥力.通过在扫描时控制这种力的恒定.带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动 利用光学检测法或隧道电流检测法.可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化.从而可以获得样品表面形貌的信息 原子力显微镜的工作模式是以针尖与样品之间的作用力的形式来分类的 主要有3种操作模式：接触模式(contactmode)、非接触模式(non-contact mode)和敲击模式(tapping mode)下面以接触模式为例.具体说明其工作原理。

图 1 接触模式l1B AJ lJD C I图2 激光位置检测器上激光光点移动方向将-个对微弱力极敏感的微悬臂的-端固定.另-端有-微小的针尖 .针尖与样品表面轻轻接触(见图 1)。针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力(1Oe-8～1Oe-6N).样品表面起伏不平使探针带动微悬臂弯曲变化.而微悬臂的弯曲又使得光路发生变化.通过光杠杆的作用使得反射到激光位置检测器上的激光光点上下移动(见图 2)，检测器将光点位移信号转换成电信号并经过放大处理，由表面形貌引起的微悬臂形变量大小是通过计算激光束在检测器四个象限中的强度差值(AB)-(cD)得到的.将这个代表微悬臂弯曲的形变信号反馈至电子控制器驱动的压电扫描器，调节垂直方向的电压.使扫描器在垂直方向上伸长或缩短.从而调整针尖与样品之间的距离.使微悬臂弯曲的形变量在水平方向扫描过程中维持-定.也就是使探针与样品间的作用力保持-定 在此反历制下，记录垂直方向上扫描器的位移 .探针在样品的表面扫描得到形貌变化之完整图像.这就是接触模式工作的原理工作原理能否讲清楚、讲明白是学生顺利完成实验的根本保证为达到这-目标，将内容分解讲述。首先，分析实际杠杆为什么省力，延伸出探针光斑位置微量变化到达激光位置检测器时位置变化放大。

引导学生理解什么叫光杠杆的放大作用。其次讲清楚压电扫描器是如何控制探针微量位移显示检测表面的形貌变化.可通过讲解激光器制造技术中激光器稳频用到的压电陶瓷微量控制技术 .加深学生的理解。

3.1-3 实验目的本实验的目的除了解原子力显微镜的基本工作原理.掌握原子力显微镜在基片、膜片测量中的应用外，还应拓展学生的视野.引导学生科技信息 0高胁坛0 SCIENCE&TECHN0L0GY INFORMATION 2012年 第35期举-反三.融会贯通.将原子力显微镜等高端检测设备应用到课题研究或今后的科研活动中3.1.4 实验内容在老师的示范指导下完成对镀膜用基片表面粗糙度的测量.并对测量结果进行分析.进-步提高学生对原子力显微镜的认识。

3.1.5 实验操作步骤根据使用说明书，实验操作步骤归结如下：1)开机.启动原子力显微镜软件，进入操作界面并进行仪器的初始化。

2)调整激光反射光斑位置.以反射光斑在探测器的中心为最佳3)测量悬臂的本征振动频率4)设置仪器测量参数5)放置测试样品.手动进行初始聚焦，让探针尖离样品表面距离在 lmm左右。

6)下针扫描并存储扫描图形7)扫描完成后提针停止扫描.保护探针。

8)进行图形分析界面.根据需要进行结果分析原子力显微镜是-台自动化程度相当高的设备.以上操作步骤基本上由计算机控制操作完成3.2 教学方法的设计原子力显微镜是-台高度自动化的测试设备.除上述操作过程中的第 2、5步需要手动调节以外 .剩余各步都是由鼠标点击指令计算机自动完成。另外，原子力显微镜价值昂贵，其手动调节部分必须经过专门的培训才能独立操作 因此.其教学方法有别于常规的实验教学方法。

3.2.I 技术串讲为主.动手操作为辅本科阶段的实验教学以学生动手为主.老师讲述为辅 针对原子力显微镜的特点 ，将教学内容进行设计。首先，将原子力显微镜所使用的尖端技术进行分类(如：光杠杆显微技术、压电陶瓷微量控制技术、步进电机控制技术等)，与学生讨论这些技术是如何应用于原子力显微镜制造.结合实验操作演示 让学生掌握原子力显微镜所涉及的各种技术。

3.2.2 现场数据分析为主.课后查阅资料撰写实验报告为辅本科阶段的实验-般在实验室进行操作记录数据.课后学生进行数据分析撰写实验报告 原子力显微镜自带图象数据处理软件 ，其数据分析在测试后 自动完成.且其结果显现微观量(tn本实验中所测基片的表面粗糙度为0.08nm).学生存在理解上的困难 通过现巢述及演示原子力显微镜数据获取过程、结果计算过程.帮助学生理解测量结果.再布置学生上网查阅相关资料 .在实验报告中补充对测试结果的认识3.23 应用引导与学生讨论原子力显微镜的应用 .引导学生如何在后续的学习工作中使用尖端测试设备进行科学研究4 教学效果评价通过将本文所阐述的课程内容和教学方法应用于实际教学中.学生不但对原子力显微镜有了比较全面的认识，开拓了视野.且对如何灵活应用所学到的知识有了更深刻的理解 .得到学生的好评.达到了预期目标，可以为同类实验课程的开设提供有益的参考。Q