原子力顯微鏡應用于納米測量技術教學研究

劉蘭嬌

[摘要]論文根據(jù)納米測量技術相關教學的基本內容結構和教學目的，針對由于課堂教學與實驗教學分離而影響教學效果的問題，探討了原子力顯微鏡（AFM）在實驗教學過程中對學生理解相關概念的重要性。同時，結合作者的教學實踐，列舉了AFM在納米測量技術教學中的運用案例。實踐證明，AFM在實驗教學中起到了非常重要的作用，它既能促進學生對課程的學習興趣，同時又能幫助學生加強對抽象概念的理解，從而增強學生的應用能力。

[關鍵詞]納米技術 原子力顯微鏡 納米測量技術

[中圖分類號]TN [文獻識別碼]A

納米技術作為當前發(fā)展最迅速、研究最廣泛、投入最多的科學技術之一，被譽為21世紀的科學，并且和生物工程一起被認為是未來科技的兩大重要前沿。從納米技術的發(fā)展來看，納米測量技術的地位和作用是不容忽視的。納米加工和制造離不開納米測量，精密計量已不能適應納米技術發(fā)展的要求，而且成為了納米技術發(fā)展的瓶頸。因此，納米測量技術和測量裝置，不僅是21世紀納米技術實用過程中必須關注的焦點，而且也是21世紀計量測試領域研究的重中之重。在納米技術研究中，原子力顯微鏡（AFM）一直發(fā)揮著重要作用。

對于納米技術的基礎教學而言， AFM無疑是學生們感知納米量級的最直接的方式之一。因此，本論文針對學生特點及教學要求，將AFM工作原理及實際掃描后得到的圖片引入到課堂中進行輔助教學，取得了一定的效果。

一、AFM引入基礎教學

納米級位移測量技術至今尚未有明確的定義。通常認為測量精度或分辨率在0.5～100納米之間的位移測量技術，統(tǒng)稱為納米級位移測量技術。納米測量技術的內涵涉及納米尺度的評價、成份、微細結構和物質特性的納米尺度的測量，它是在納米尺度上研究材料和器件的結構與性能、發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、發(fā)展新方法、創(chuàng)造新技術的基礎。納米測量所涉及的兩個重要領域就是納米長度測量和納米級的表面輪廓測量[1]。

原子力顯微鏡（atomic force microscope，簡稱AFM）是利用微懸臂感受和放大懸臂上探針與受測樣品原子之間的作用力，從而達到檢測的目的，具有原子級的分辨率[2]。

原子力顯微鏡研究對象可以是有機固體、聚合物以及生物大分子等，其可以在空氣或者液體下對樣品直接進行成像，分辨率很高。因此，AFM被廣泛應用于納米長度測量和納米級的表面輪廓測量中。

在教學中，單純依靠數(shù)學推演來講解，并不能收到很好的效果。例如學生們單從概念上很難想象1納米，1微米到底有多大，被操作材料表面形貌到底是什么樣子等。因此，通過實驗教學中，使用AFM來檢測不同量級的研究對象，可以加深學生們的理解，從而增強學生的實際應用能力。

二、AFM教學實例

針對納米測量所涉及的兩個重要領域：納米長度測量和納米級的表面輪廓測量。列舉了AFM掃描的利用多光束激光干涉光刻制備單晶硅形貌圖。

圖2，圖3和圖4為AFM掃描的二維圖像，觀測者可以直接看到被測樣品的表面形貌，不僅如此，AFM二維圖像還可以形成相應的三維像，獲得樣品表面結構的深度，大小以及長度等重要信息參數(shù)，如圖5所示。

通過原子力顯微鏡對樣品形貌的掃描，可以讓學生更為直觀地了解AFM以及納米測量的相關概念及原理。同時，清晰的掃描圖像可以進一步促進學生對教學內容的理解和認識。

三、結論

通過將原子力顯微鏡實驗課程引入納米測量技術教學中，可以將抽象、難以理解的問題具體化、形象化，學生可以在使用或者觀看AFM的過程中對納米測量技術課程中基本概念的理解進一步加深，有利于培養(yǎng)學生的學習興趣、建模能力和實際應用能力。

[參考文獻]

[1]楊曉紅，楊圣.納米級位移測量技術綜述[J].鹽城工學院學報，2000，（09）.

[2]http：//baike.so.com/doc/5602492.html

（作者單位：長春理工大學 吉林長春）