原子力顯微鏡在納米技術(shù)相關(guān)教學(xué)中的應(yīng)用

劉蘭嬌

[摘要]論文根據(jù)原子力顯微鏡（AFM）的原理，針對納米技術(shù)相關(guān)教學(xué)課程的基本內(nèi)容結(jié)構(gòu)和教學(xué)目的，探討了AFM在相關(guān)教學(xué)中的應(yīng)用。結(jié)合作者的教學(xué)實踐，列舉了AFM在納米技術(shù)相關(guān)教學(xué)中的運用案例。AFM在納米技術(shù)中的應(yīng)用教學(xué)顯示，它不但能促進學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣，同時又能幫助學(xué)生加強對抽象概念的理解。實踐證明，AFM在納米技術(shù)相關(guān)教學(xué)課程中起到了非常重要的作用。

[關(guān)鍵詞]納米技術(shù) 原子力顯微鏡（AFM）

[中圖分類號]TN [文獻識別碼]A

納米技術(shù)被譽為21世紀的科學(xué)，現(xiàn)已成為世界各國研究的熱點領(lǐng)域。它的迅猛發(fā)展將在世界范圍內(nèi)引發(fā)一場包括生命科學(xué)、信息技術(shù)、生態(tài)環(huán)境技術(shù)、能源技術(shù)在內(nèi)的幾乎覆蓋所有工業(yè)領(lǐng)域的大革命。

從納米技術(shù)的發(fā)展來看，激光干涉納米光刻技術(shù)、納米加工、納米測量技術(shù)，以及納米制造等，都有著不可忽視的地位和作用。原子力顯微鏡（atomic force microscope，簡稱AFM）是納米技術(shù)研究中最常用也是最基礎(chǔ)的一個儀器。它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[1]。

隨著人們對納米技術(shù)的深入研究以及對AFM的不斷開發(fā)，使原子力顯微鏡不僅僅具有檢測的功能，還可以實現(xiàn)對樣品的“推”、“拉”、“刻劃”、“切割”、“搬運”等功能，增大了AFM的使用范圍。其優(yōu)勢在于操作過程不受環(huán)境影響，既可以在大氣環(huán)境下工作，也可以在液相下工作。這對人們在生物醫(yī)學(xué)等方面的研究工作，帶來了便利。

對于納米技術(shù)的基礎(chǔ)教學(xué)而言， AFM是學(xué)生們感知納米量級，實現(xiàn)簡單操作的最直接的方式之一。因此，本論文針對AFM的特點及納米技術(shù)相關(guān)教學(xué)的知識點，將AFM工作原理及實際掃描、操作后得到的圖片引入到課堂中進行輔助教學(xué)，取得了一定的效果，提升了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。

一、AFM原理

AFM是將一個對微弱力極敏感的微懸臂的一端固定住，另一端裝有一微小的納米級針尖。當(dāng)針尖與樣品表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過在掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。利用光學(xué)檢測法或隧道電流檢測法，可測得微懸臂對應(yīng)于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息[2]。也就是說，微懸臂的形變是對樣品-針尖相互作用的直接反映。

AFM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或操作，分辨率很高。因此，AFM被廣泛應(yīng)用于納米測量及納米加工等技術(shù)中。

二、AFM教學(xué)實例

針對納米測量所涉及的兩個重要領(lǐng)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。

觀測者不但可以直接看到被測樣品的表面形貌，還可以通過AFM二維圖像形成相應(yīng)的三維像，從而獲得樣品表面結(jié)構(gòu)的深度，大小以及長度等重要信息參數(shù)，如圖2所示。

針對納米操作技術(shù)所涉及到的對樣品的“推”、“拉”及“刻劃”等操作，列舉了相關(guān)原理圖及AFM的掃描圖像。

通過AFM對原子的操作及樣品形貌的掃描，可以讓學(xué)生更為直觀地了解AFM以及納米技術(shù)的相關(guān)概念及原理。同時，清晰的掃描圖像可以進一步促進學(xué)生對納米技術(shù)相關(guān)教學(xué)課程內(nèi)容的理解和認識。

三、結(jié)論

通過將AFM原理的介紹以及實驗課程的引入，可以將抽象、難以理解的實驗問題具體化、形象化。學(xué)生可以在使用或者觀看AFM的使用過程中加強對納米技術(shù)相關(guān)課程的理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、建模能力和實際應(yīng)用能力。

[參考文獻]

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

[2] 朱杰，孫潤廣，原子力顯微鏡的基本原理及其方法學(xué)研究[J]. 生命科學(xué)儀器，2005

（作者單位：長春理工大學(xué) 吉林長春）