虚实一体的原子力显微镜实验系统

李小云，朱晖文，章海军

（1. 浙江理工大学 理学院，浙江省物理实验教学示范中心，浙江 杭州 310018；2. 浙江大学 光电科学与工程学院，现代光学仪器国家重点实验室，浙江 杭州 310027）

由于原子力显微镜（AFM）既具有很高的扫描成像分辨率，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[1-2]。AFM 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AFM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 AFM 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[3]。

在 AFM 实验操作过程中，由于学生操作不当而造成 AFM 探针乃至仪器损坏的现象时有发生，使AFM实验成本较高。同时，在目前的高校物理实验教学中，现行的实验训练在课程设计、实验仪器系统及教学实践的某些环节存在着亟需改进和优化之处[4]。为此，本文根据“教育部办公厅关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知”的精神[5]，以及物理学史在工科大学物理实验中的教育功能[6-13]，探索新的实验教学模式。针对学生创新思维培养不够、实验消耗大、实验成本高等情况，本文提供一种可靠、安全、经济和高效的虚实一体的原子力显微镜实验项目。

1 虚实一体的原子力显微镜实验系统

1.1 AFM原理演示及模拟扫描软件系统

AFM 原理演示及模拟扫描软件系统由显微镜发展史视频（图1）、AFM原理演示PPT、模拟扫描软件等组成。通过视频了解显微镜特别是扫描探针显微镜的创新发展历史，让学生感受其中的创新思维。如图2所示，通过AFM原理演示PPT展示学习原子之间的作用力、激光光束偏转法及光杠杆放大、位置敏感探测器（PSD）的光电转换等原理。利用AFM模拟扫描软件，实现不同模式、不同速度、不同范围的模拟扫描及仿真演示（图 3），从而全面系统地学习掌握AFM的扫描成像原理及实验操作过程。

图1 显微镜的创新发展史视频截图

通过显微镜发展史视频与 AFM 原理演示及模拟扫描软件系统的课前预习，回顾显微镜的发展历史，特别是感受扫描探针显微镜发展过程中的创新思维和不屈不挠的精神，这种科学文化引领的教学方式激发了学生的批判性和创造性思维，克服了教学方式方法单一的问题。

图2 AFM原理演示PPT的部分展示图

图3 AFM模拟扫描软件及二维与三维图像显示界面

1.2 AFM模拟演示探头系统

AFM 模拟演示探头系统由模拟微探针、模拟样品、激光器、偏转棱镜、PSD器件、Z向调节机构、XY调节机构等部分组成，如图4所示。模拟微探针由厚度为 0.2 mm的铜箔片制成，剪切出一个底边长约8 mm、高约10 mm的三角形作为微悬臂，在其上表面顶点附近粘贴有长1.5 mm、宽3.6 mm的微反射镜，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。选取波长为650 nm、功率为4 mW的半导体激光器作为光源。在直径20 mm的亚克力圆片上播撒和粘贴粒径为0.25 mm的小珠子，制成模拟样品。反射光束、偏转棱镜与PSD等，用于监视微悬臂及反射光束的偏转量。利用Z向调节机构，使模拟探针在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，从而模拟微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。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。

图4 AFM模拟演示探头系统及模拟微探针示意图

图5 AFM-IIa型与Cyphe型原子力显微镜实物照片

AFM模拟演示探头系统实现AFM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 AFM 微探针尺寸很小，其微悬臂有效长度仅为100 μm或200 μm，因此是肉眼不可见的，在AFM实验过程中很容易损坏。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。通过 AFM 模拟演示探头系统的操作，学生能够进一步了解 AFM的扫描工作原理，熟练 AFM 的调节方法与手感，从而使其在进入真正的 AFM 实验环节的时候，降低由于操作不当而造成 AFM 探针及实验仪器损坏的概率，大大节约了AFM实验的成本，同时提高了AFM的实验效率。

1.3 AFM实验仪器装置

本校AFM实验仪器装置有两种，分别是AFM-IIa型与Cypher型原子力显微镜。AFM-IIa型原子力显微镜由AFM探头系统（主体）、低压与高压控制机箱、高压直流电源、A/D&D/A接口和计算机系统等部分组成，如图 5(a)所示。AFM 探头系统包括机、光、电 3部分，由基座、微探针（微悬臂）、样品及样品台、XY扫描控制器、Z向反馈控制器、激光器、光路系统、PSD器件、粗调和微调机构等构成。控制机箱包括前置放大器、PID反馈控制电路、XY扫描控制电路、多路高压放大电路、数字显示电路、低压直流电源等。高压直流电源输出+350V的直流电压，提供给高压放大电路，驱动压电陶瓷的扫描与反馈运动。计算机控制系统包括高速多通道A/D板、高速多通道D/A板、图像采集卡、电压跟随与保护电路、扫描成像软件、图像处理与数据分析软件、图像撷取软件等。在物理实验课堂上要求学生对不同的微纳米样品进行X和Y方向的面扫描和线扫描，获得样品表面的纳米级三维形貌结构和截面线，进行图像的结构尺寸测量与标注，完成纳米级表面微观粗糙度的统计及计算，以及测定样品表面的微米/纳米级台阶高度和深度等[14-15]。

Cypher型原子力显微镜是高分辨率的快速扫描原子力显微镜，如图5(b)所示。在完成AFM-IIa型原子力显微镜实验后，引导创新能力强的优秀学生进一步到 Cypher型原子力显微镜上进行该实验的拓展与创新，使其深刻体会物理的可用性与前沿性。

AFM实验包含前沿性的物理原理及机、光、电、算等技术的综合实验，通过本实验的教学与实践，可以很好地培养未来新兴产业和新经济需要的具有“学科交叉融合”的特征的、工程实践能力强、创新能力强的高素质复合型人才。

2 虚实一体的原子力显微镜实验教学模式

虚实一体的原子力显微镜实验是基于半实物、半虚拟仿真理念建立的。通过 AFM 原理及演示软件系统学习应用，使学生了解显微镜相关知识、实验技术、实验方法产生的历史背景，感受其中的创新精神，培养学生独立的批判性思维、能够适应不断变化环境的能力；通过AFM模拟演示探头及系统，实现低成本、高效地对 AFM 操作的模拟操作训练；通过原子力显微镜装置实现实验数据的测量，并通过课后探索对所学知识的进行创新实践、应用拓展，通过虚实一体的原子力显微镜实验，建立了“回顾历史、触摸现在、遇见未来”的四维空间教学模式，见图 6。本文教学模式得到了普遍的认可，与此相关的教学改革得到教育部与学校的多项立项支持，该成果现已在浙江理工大学、浙江大学等高校得到推广应用，并取得良好效果。

图6 四维空间的物理实验教学模式图

3 结语

本文研发了 AFM 原理演示及模拟扫描软件系统和 AFM 模拟演示探头系统，实施了一种虚实一体的原子力显微镜实验系统，实现了低成本、高效率地对学生进行创新思维、操作技能、知识整合等层次的训练，并建立了“回顾历史、触摸现在、遇见未来”的四维空间物理实验教学模式。这一虚实结合的实验教学模式不仅大大降低了实验成本，显著提高了实验效率和实验教学效果，并解决了实际实验教学中存在的在时空、深度和广度等方面的不足问题，可对学生的创新思维和动手能力培养起到显著的促进作用。