【基础物理实验】【AFM虚拟实验】基于AFM的物质表面微观结构及力学性质表征仿真实验（下）【北京航空航天大学】

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本次实验（上）见博客：【基础物理实验】【AFM虚拟实验】基于AFM的物质表面微观结构及力学性质表征仿真实验（上）【北京航空航天大学】

本次实验（中）见博客：【基础物理实验】【AFM虚拟实验】基于AFM的物质表面微观结构及力学性质表征仿真实验（中）【北京航空航天大学】

六、实验小结(实验结论分析、实验体会等)：

1、实验结论：
① AFM主要有三种工作模式，接触模式、非接触模式和轻敲模式，利用微悬臂探针来感应样品的形貌信息，样品和探针的杨氏模量通过影响样品和探针之间的作用力，影响微悬臂的运动状态，从而影响成像。
② 在幅度调制模式下，幅度的设定值越大，相位差越小（绝对值）。
2、实验体会：
从此次实验中，我体会到了参数的选择对扫描图像，即实验结果的影响，如何调整参数以获得最佳的表面形貌；学会了AFM的使用，以及样品杨氏模量的计算方法。做好物理实验，首先要了解实验仪器的原理和使用方法，以及所涉及物理量的物理意义和计算方法。总的来说，这是一次很难得的使用计算机虚拟/模拟的方法体验高端、昂贵的研究设备，并进行实验探究的过程。

七、思考题

1、分析AFM各个工作模式适用的条件
AFM主要有三种工作模式，接触模式（Contact Mode），非接触模式（Non-contact Mode）和轻敲模式（Tapping Mode）。接触模式中，探针与样品表面始终保持接触，探针-样品相互作用力导致微悬臂弯曲，通过检测悬臂的弯曲量可获取样品的表面形貌。非接触模式又称为频率调制模式（Frequency Modulation），该模式下，微悬臂振动在实时共振频率处，针尖在样品表面上方斥力区，始终不与样品表面接触，通过记录微悬臂共振频率的变化实现对样品形貌的跟踪；轻敲模式又称为幅度调制模式（Amplitude modulation），该模式下，微悬臂在共振频率附近振动，针尖轻轻地敲击表面，间断地和样品接触，通过记录微悬臂振幅的变化来获取样品的表面形貌。轻敲模式AFM有效地减小了探针-样品间的相互作用力，避免了横向摩擦力，因而成为如今使用最广泛的AFM工作模式。
接触模式（Contact Mode）：
优点： 扫描速度快，是唯一能够获得“原子分辨率”图像的AFM。垂直方向上有明显变化的质硬样品，有时更适于用Contact Mode扫描成像。
缺点： 横向力影响图像质量。在空气中，因为样品表面吸附液层的毛细作用，使针尖与样品之间的粘着力很大。横向力与粘着力的合力导致图像空间分辨率降低，而且针尖刮擦样品会损坏软质样品（如生物样品，聚合体等）。
非接触模式（non-Contact Mode）：
优点： 没有力直接作用于样品表面。
缺点： 由于针尖与样品分离，横向分辨率低；为了避免接触吸附层而导致针尖胶粘，其扫描速度低于Tapping Mode和Contact Mode AFM。通常仅用于非常怕水的样品，吸附液层必须薄，如果太厚，针尖会陷入液层，引起反馈不稳，刮擦样品。由于上述缺点，non-Contact Mode的使用受到限制。
轻敲模式（Tapping Mode）：
优点： 很好地消除了横向力的影响。降低了由吸附液层引起的黏着力，图像分辨率高，适用于观测软、易碎，或者胶粘性样品，不会损伤其表面。
缺点： 比Contact Mode AFM的扫描速度慢。

2、分析保守力对相位差的影响
相位的改变与探针-样品间非保守的相互作用力有关。非保守力导致能量损耗，需要探针在每个周期内补偿损失的能量来保证微悬臂振荡过程的稳定。该过程可用谐振子模型进行描述。

相位延迟的正弦值及设定值与探针-样品表面非保守相互作用引起的能量耗散有关。幅度调制AFM在工作过程中保持振幅恒定，因此式（6）中前一个乘数保持不变，因而相位变化反映了探针-悬梁系统机械能转移到样品表面。

3、请查阅并举例至少3个AFM应用技术方向
在材料科学领域，AFM不但可以获得材料表面的3D形貌、表面粗糙度和高度等信息，而且可以获得材料表面物理性质分布的差异，例如摩擦力、阻抗分布、电势分布、介电常数，压电特性、磁学性质等。
在聚合物科学领域，AFM可以获得材料的表面结构以及材料表面物理性质。对样品进行加热，可以研究聚合物的相变过程；结合环境腔，可以研究有机溶剂气氛下聚合物表面结构演变过程，有助于解释聚合物失效机理。
在半导体工业领域，AFM可以检测基片表面抛光缺陷、图形化结构、薄膜表面形貌以及定量的表面粗糙度数据和深度信息，同时可以检测表面缺陷（比如电流泄漏、结构缺陷、晶格错位、缺陷密度和传播等）以及表面阻抗、电势分布、介电常数、掺杂浓度等，有利于半导体材料的可靠性、均一性和失效性分析。
在电化学领域，AFM可以用于研究电化学的沉积过程，揭示电化学的反应机理；可以用于研究金属腐蚀过程，有助于解决金属腐蚀机理；结合手套箱，可以用于研究锂电池充放电过程，有利于提高电池效率。
在生命科学领域，AFM不但可以用于检测溶液下DNA，蛋白，细胞的精细结构，还可以对其进行力学和电学性质的测量，获得生物样品的杨氏模量以及阻抗特性。结合分子识别技术，可以帮助研究人员快速识别分子级别的相互作用。