虛實(shí)一體的原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

李小云，朱暉文，章海軍

（1. 浙江理工大學(xué) 理學(xué)院，浙江省物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，浙江 杭州 310018；2. 浙江大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dǎo)電性和物質(zhì)態(tài)的限制，因此可廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、微電子學(xué)、光電科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)和微納米加工等領(lǐng)域，極大地推動了納米科學(xué)的發(fā)展[1-2]。AFM 是集物理學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)與計算機(jī)于一體的科學(xué)儀器，其中物理原理豐富、技術(shù)系統(tǒng)新穎、實(shí)驗(yàn)方法巧妙，現(xiàn)已成為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中不可或缺的內(nèi)容之一。在AFM系統(tǒng)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(dāng) 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(chǎn)生相互作用的原子力，并推動微懸臂使之發(fā)生形變彎曲；當(dāng)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)等信息[3]。

在 AFM 實(shí)驗(yàn)操作過程中，由于學(xué)生操作不當(dāng)而造成 AFM 探針乃至儀器損壞的現(xiàn)象時有發(fā)生，使AFM實(shí)驗(yàn)成本較高。同時，在目前的高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，現(xiàn)行的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練在課程設(shè)計、實(shí)驗(yàn)儀器系統(tǒng)及教學(xué)實(shí)踐的某些環(huán)節(jié)存在著亟需改進(jìn)和優(yōu)化之處[4]。為此，本文根據(jù)“教育部辦公廳關(guān)于開展2015年國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知”的精神[5]，以及物理學(xué)史在工科大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的教育功能[6-13]，探索新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。針對學(xué)生創(chuàng)新思維培養(yǎng)不夠、實(shí)驗(yàn)消耗大、實(shí)驗(yàn)成本高等情況，本文提供一種可靠、安全、經(jīng)濟(jì)和高效的虛實(shí)一體的原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

1 虛實(shí)一體的原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 AFM原理演示及模擬掃描軟件系統(tǒng)

AFM 原理演示及模擬掃描軟件系統(tǒng)由顯微鏡發(fā)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(chuàng)新發(fā)展歷史，讓學(xué)生感受其中的創(chuàng)新思維。如圖2所示，通過AFM原理演示PPT展示學(xué)習(xí)原子之間的作用力、激光光束偏轉(zhuǎn)法及光杠桿放大、位置敏感探測器（PSD）的光電轉(zhuǎn)換等原理。利用AFM模擬掃描軟件，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)地學(xué)習(xí)掌握AFM的掃描成像原理及實(shí)驗(yàn)操作過程。

圖1 顯微鏡的創(chuàng)新發(fā)展史視頻截圖

通過顯微鏡發(fā)展史視頻與 AFM 原理演示及模擬掃描軟件系統(tǒng)的課前預(yù)習(xí)，回顧顯微鏡的發(fā)展歷史，特別是感受掃描探針顯微鏡發(fā)展過程中的創(chuàng)新思維和不屈不撓的精神，這種科學(xué)文化引領(lǐng)的教學(xué)方式激發(fā)了學(xué)生的批判性和創(chuàng)造性思維，克服了教學(xué)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(tǒng)

AFM 模擬演示探頭系統(tǒng)由模擬微探針、模擬樣品、激光器、偏轉(zhuǎn)棱鏡、PSD器件、Z向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、XY調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)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(dǎo)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(zhuǎn)棱鏡與PSD等，用于監(jiān)視微懸臂及反射光束的偏轉(zhuǎn)量。利用Z向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，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(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而使反射光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而模擬微探針與樣品之間的原子力作用機(jī)制，以及微懸臂偏轉(zhuǎn)量的光束偏轉(zhuǎn)法檢測原理。XY調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由X與Y微動臺組合而成，實(shí)現(xiàn)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(diào)節(jié)X微動臺和Y微動臺，即可實(shí)現(xiàn)微探針對樣品的模擬掃描。

圖4 AFM模擬演示探頭系統(tǒng)及模擬微探針示意圖

圖5 AFM-IIa型與Cyphe型原子力顯微鏡實(shí)物照片

AFM模擬演示探頭系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)AFM的原理、微探針的進(jìn)給操作和樣品的掃描成像模擬仿真。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等同于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)控制操作與標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)相同。由于實(shí)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(shí)驗(yàn)過程中很容易損壞。本系統(tǒng)中的模擬探針是可視化的，學(xué)生可在模擬微探針的彈性限度內(nèi)，大膽改變微探針與樣品的距離等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行原子力作用機(jī)制的模擬觀察及光束偏轉(zhuǎn)法的模擬操作，進(jìn)而進(jìn)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(tǒng)的操作，學(xué)生能夠進(jìn)一步了解 AFM的掃描工作原理，熟練 AFM 的調(diào)節(jié)方法與手感，從而使其在進(jìn)入真正的 AFM 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的時候，降低由于操作不當(dāng)而造成 AFM 探針及實(shí)驗(yàn)儀器損壞的概率，大大節(jié)約了AFM實(shí)驗(yàn)的成本，同時提高了AFM的實(shí)驗(yàn)效率。

1.3 AFM實(shí)驗(yàn)儀器裝置

本校AFM實(shí)驗(yàn)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(tǒng)（主體）、低壓與高壓控制機(jī)箱、高壓直流電源、A/D&D/A接口和計算機(jī)系統(tǒng)等部分組成，如圖 5(a)所示。AFM 探頭系統(tǒng)包括機(jī)、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(tǒng)、PSD器件、粗調(diào)和微調(diào)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成?？刂茩C(jī)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(shù)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(qū)動壓電陶瓷的掃描與反饋運(yùn)動。計算機(jī)控制系統(tǒng)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(hù)電路、掃描成像軟件、圖像處理與數(shù)據(jù)分析軟件、圖像擷取軟件等。在物理實(shí)驗(yàn)課堂上要求學(xué)生對不同的微納米樣品進(jìn)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(jié)構(gòu)和截面線，進(jìn)行圖像的結(jié)構(gòu)尺寸測量與標(biāo)注，完成納米級表面微觀粗糙度的統(tǒng)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(shí)驗(yàn)后，引導(dǎo)創(chuàng)新能力強(qiáng)的優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)一步到 Cypher型原子力顯微鏡上進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的拓展與創(chuàng)新，使其深刻體會物理的可用性與前沿性。

AFM實(shí)驗(yàn)包含前沿性的物理原理及機(jī)、光、電、算等技術(shù)的綜合實(shí)驗(yàn)，通過本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)與實(shí)踐，可以很好地培養(yǎng)未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的具有“學(xué)科交叉融合”的特征的、工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)的高素質(zhì)復(fù)合型人才。

2 虛實(shí)一體的原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

虛實(shí)一體的原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)是基于半實(shí)物、半虛擬仿真理念建立的。通過 AFM 原理及演示軟件系統(tǒng)學(xué)習(xí)應(yīng)用，使學(xué)生了解顯微鏡相關(guān)知識、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)生的歷史背景，感受其中的創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立的批判性思維、能夠適應(yīng)不斷變化環(huán)境的能力；通過AFM模擬演示探頭及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低成本、高效地對 AFM 操作的模擬操作訓(xùn)練；通過原子力顯微鏡裝置實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量，并通過課后探索對所學(xué)知識的進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐、應(yīng)用拓展，通過虛實(shí)一體的原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)，建立了“回顧歷史、觸摸現(xiàn)在、遇見未來”的四維空間教學(xué)模式，見圖 6。本文教學(xué)模式得到了普遍的認(rèn)可，與此相關(guān)的教學(xué)改革得到教育部與學(xué)校的多項(xiàng)立項(xiàng)支持，該成果現(xiàn)已在浙江理工大學(xué)、浙江大學(xué)等高校得到推廣應(yīng)用，并取得良好效果。

圖6 四維空間的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式圖

3 結(jié)語

本文研發(fā)了 AFM 原理演示及模擬掃描軟件系統(tǒng)和 AFM 模擬演示探頭系統(tǒng)，實(shí)施了一種虛實(shí)一體的原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低成本、高效率地對學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思維、操作技能、知識整合等層次的訓(xùn)練，并建立了“回顧歷史、觸摸現(xiàn)在、遇見未來”的四維空間物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。這一虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式不僅大大降低了實(shí)驗(yàn)成本，顯著提高了實(shí)驗(yàn)效率和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，并解決了實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的在時空、深度和廣度等方面的不足問題，可對學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力培養(yǎng)起到顯著的促進(jìn)作用。