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原子力顯微鏡是具有極高分辨率和穩(wěn)定性的表面測(cè)量?jī)x器，是納米技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于材料、生物、化學(xué)和環(huán)境等領(lǐng)域。本裝置利用自動(dòng)化、光電轉(zhuǎn)換、光杠桿原理等技術(shù)，形象的演示了其工作原理。并通過(guò)檢測(cè)待測(cè)樣品表面和一個(gè)微型力敏感元件之間的微弱的相互作用力來(lái)研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)信息。

實(shí)驗(yàn)原理 AFM是SPM家族中應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛的表面觀察與研究工具之一。其工作原理基于原子之間的相互作用力。當(dāng)一根十分尖銳的微探針在縱向充分逼近樣品表面至數(shù)納米甚至更小間距時(shí)，微探針尖端的原子和樣品表面的原子之間將產(chǎn)生相互作用的原子力。原子力的大小與間距之間存在一定的曲線關(guān)系。在間距較大的起始階段，原子力表現(xiàn)為引力，隨著間距的進(jìn)一步減小，由于價(jià)電子云的相互重疊和兩個(gè)原子核的電荷間的相互作用，原子力又轉(zhuǎn)而表現(xiàn)為排斥力。這種排斥力隨著間距的縮短而急劇增大。AFM正是利用原子力與間距之間的這些關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)原子間的作用力而獲得樣品表面的微觀形貌的。   儀器概述 AFM采用對(duì)微弱力極其敏感的微懸臂作為力傳感器──微探針。微懸臂一端固定，另一端置有一與微懸臂平面垂直的金字塔狀微針尖。當(dāng)針尖與樣品之間的距離逼近到一定程度時(shí)，兩者間將產(chǎn)生相互作用的原子力，其中切向力（摩擦力）Ft使微懸臂扭曲，法向（縱向）力Fn將推動(dòng)微懸臂偏轉(zhuǎn)。我們所關(guān)心的主要是縱向力Fn，它與針尖──樣品間距成一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即與樣品表面的起伏具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。微懸臂的偏轉(zhuǎn)量十分微小，無(wú)法進(jìn)行直接檢測(cè)，采用光學(xué)方法將偏轉(zhuǎn)量放大，可推知微懸臂偏轉(zhuǎn)量（即原子力）的大小，最終獲得樣品表面的微觀形貌。   儀器特點(diǎn) 特有的臥式探頭 臥式AFM探頭設(shè)計(jì)，使原子力作用方向與重力方向垂直而互不干擾；降低了探頭的整體重心；克服了原有粗調(diào)與微調(diào)逼近機(jī)構(gòu)的垂直蠕動(dòng)；具有獨(dú)特的臥式可視化光路。探頭及儀器性能更加穩(wěn)定和優(yōu)越。   穩(wěn)定的三軸壓電掃描器 采用互相正交的三軸壓電陶瓷掃描控制器，X、Y、Z三軸壓電陶瓷之間互不耦合，可保證掃描圖像不因耦合而失真；掃描器具有更好的掃描線性和獨(dú)立性、更高的強(qiáng)度和剛度，兼具更強(qiáng)的掃描驅(qū)動(dòng)力，能同時(shí)適用于較小與較大、較輕與較重樣品的掃描成像。   優(yōu)化的檢測(cè)與控制系統(tǒng) 采用優(yōu)化的微納米掃描與反饋控制電路系統(tǒng)，配以多路高精度A/D&D/A控制接口，可獲得更高的掃描分辨率、更好的重復(fù)性和更佳的圖像質(zhì)量。   完善的軟件界面與功能 功能強(qiáng)大、界面友好，可適用于Windows XP/Win7/Win8/Win10等操作系統(tǒng)。一般操作者均可輕松而熟練地掌握，只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)，即可完成從圖像掃描到圖像處理及數(shù)據(jù)信息計(jì)算的全部操作?？捎檬髽?biāo)任意選擇局部掃描區(qū)域，實(shí)現(xiàn)圖像平移、定位和縮放；可設(shè)定掃描次數(shù)并自動(dòng)控制掃描停止；具有實(shí)現(xiàn)X、Y方向的面掃描和線掃描的功能；可獲得樣品表面的納米級(jí)三維形貌結(jié)構(gòu)和截面線；高質(zhì)量的彩色/黑白平面圖像顯示與三維立體圖像顯示；具有圖像的二維和三維納米標(biāo)尺標(biāo)注功能及粒徑測(cè)量功能；具備納米級(jí)表面微觀粗糙度的統(tǒng)計(jì)及計(jì)算功能；可精確測(cè)定樣品表面的微納米級(jí)臺(tái)階高度和深度；完善的圖像處理功能，包括裁剪、粘貼、旋轉(zhuǎn)、對(duì)比調(diào)節(jié)、亮度調(diào)節(jié)、顏色調(diào)整、背景色調(diào)整、圖像平滑、濾波等。   簡(jiǎn)單便捷的儀器操作 AFM的操作十分簡(jiǎn)單和便捷，一般操作人員即可完成，無(wú)需專人操作和維護(hù)。安裝探針、安裝樣品、粗調(diào)和微調(diào)進(jìn)樣、圖像掃描、圖像存儲(chǔ)等操作，均可在1分鐘內(nèi)完成。特別適用于科學(xué)研究、教學(xué)實(shí)驗(yàn)及產(chǎn)品檢測(cè)。   高穩(wěn)定性與抗干擾能力 AFM既可在良好的實(shí)驗(yàn)條件下完美工作，也可在有一般實(shí)驗(yàn)室、普通桌面、有輕微振動(dòng)、有環(huán)境干擾、有光照等條件下正常運(yùn)作，快速掃描觀察各種微納米樣品，獲得理想的圖像和微納米結(jié)構(gòu)信息。具備更好的穩(wěn)定性和抗震性，更強(qiáng)的抗（光、電、磁等）干擾能力，更快的掃描速度（最快1幅圖像/1~6秒，作為對(duì)比，進(jìn)口儀器的掃描速率一般為1幅圖像/10~20分鐘甚至更慢）。   高適用性廣泛應(yīng)用領(lǐng)域 可同時(shí)適用于科學(xué)研究、本科生和研究生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)及納米技術(shù)產(chǎn)品的檢測(cè)，廣泛適用于各種金屬/非金屬、導(dǎo)體/非導(dǎo)體、磁性/非磁性材料樣品的掃描檢測(cè)。對(duì)被測(cè)材料樣品無(wú)特殊要求，免去繁瑣的樣品制備過(guò)程，可直接掃描獲得微納米結(jié)構(gòu)信息。   實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 部分掃描測(cè)試樣品的AFM圖像   部件列表 描述 數(shù)量 原子力顯微鏡探頭 1 控制機(jī)箱 1 直流高壓電源 1 A/D&D/A控制接口卡 1 AFM微探針 15組60 tips USB光學(xué)顯微鏡 1 一體機(jī), 含AFM掃描控制軟件 1 樣品 5 剪刀、鑷子、啟子、放大鏡等工具 1

原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)，是一種可用來(lái)研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。它通過(guò)檢測(cè)待測(cè)樣品表面和一個(gè)微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來(lái)研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。將一對(duì)微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時(shí)它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。掃描樣品時(shí)，利用傳感器檢測(cè)這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級(jí)分辨率獲得表面形貌結(jié)構(gòu)信息及表面粗糙度信息。 原子力顯微鏡主要由帶針尖的微懸臂，微懸臂運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置，監(jiān)控其運(yùn)動(dòng)的反饋回路，使樣品進(jìn)行掃描的壓電陶瓷掃描器件，計(jì)算機(jī)控制的圖像采集、顯示及處理系統(tǒng)組成。微懸臂運(yùn)動(dòng)可用如隧道電流檢測(cè)等電學(xué)方法或光束偏轉(zhuǎn)法、干涉法等光學(xué)方法檢測(cè)，當(dāng)針尖與樣品充分接近相互之間存在短程相互斥力時(shí)，檢測(cè)該斥力可獲得表面原子級(jí)分辨圖像，一般情況下分辨率也在納米級(jí)水平。AFM 測(cè)量對(duì)樣品無(wú)特殊要求，可測(cè)量固體表面、吸附體系等。

項(xiàng)目簡(jiǎn)介 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)，是一種可用來(lái)研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。它通過(guò)檢測(cè)待測(cè)樣品表面和一個(gè)微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來(lái)研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。將一對(duì)微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時(shí)它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。掃描樣品時(shí)，利用傳感器檢測(cè)這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級(jí)分辨率獲得表面形貌結(jié)構(gòu)信息及表面粗糙度信息。原子力顯微鏡主要由帶針尖的微懸臂，微懸臂運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置，監(jiān)控其運(yùn)動(dòng)的反饋回路，使樣品進(jìn)行掃描的壓電陶瓷掃描器件，計(jì)算機(jī)控制的圖像采集、顯示及處理系統(tǒng)組成。微懸臂運(yùn)動(dòng)可用如隧道電流檢測(cè)等電學(xué)方法或光束偏轉(zhuǎn)法、干涉法等光學(xué)方法檢測(cè)，當(dāng)針尖與樣品充分接近相互之間存在短程相互斥力時(shí)，檢測(cè)該斥力可獲得表面原子級(jí)分辨圖像，一般情況下分辨率也在納米級(jí)水平。AFM 測(cè)量對(duì)樣品無(wú)特殊要求，可測(cè)量固體表面、吸附體系等。a 傳統(tǒng)的商業(yè)CAFM 針尖圖  b 覆蓋有石墨烯層的CAFM 針尖應(yīng)用范圍原子力顯微鏡(AFM) 在許多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域中得到廣泛使用，是超微觀察工具，特別是對(duì)于不具有導(dǎo)電性的生物樣品和有機(jī)材料等，AFM 同樣可以提供較高分辨率的表面形貌圖像。同時(shí)，AFM 還具有操縱和改造原子、分子世界的手段。原子力顯微鏡為了避免加寬效應(yīng)，一般通過(guò)電子束加工針尖使其曲率半徑達(dá)到幾個(gè)納米，來(lái)提高圖像的分辨率和準(zhǔn)確度。但仍然存在著一些局限性，例如：針尖性質(zhì)的變化很大，獲得高分辨率的圖像變得很難。另外，針尖掃描時(shí)的磨損對(duì)分辨率也有影響。AFM 能獲得原子分辨率，主要是因?yàn)樵谄溽樇獾谋砻娲嬖谥蛹?jí)的突起，構(gòu)成了與樣品的實(shí)際接觸。但是這些突起的尺寸形狀和化學(xué)組成是未知的，而且在實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常發(fā)生改變，因此獲得可信賴的針尖是成像過(guò)程中獲得高分辨率的關(guān)鍵。不同的針尖適用于AFM 不同的應(yīng)用領(lǐng)域。導(dǎo)電原子力顯微鏡（CAFM）采用固體金屬作AFM 的針尖，對(duì)材料進(jìn)行納米尺度的電學(xué)表征依然存在著同樣的困擾。 項(xiàng)目階段北京大學(xué)工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)利用單層石墨烯包覆CAFM 金屬針尖，發(fā)現(xiàn)石墨烯包覆的針尖保留了包覆前針尖的形狀，并且包覆的針尖能承受非常高的電流和摩擦力。新型針尖具有穩(wěn)定、耐磨、壽命長(zhǎng)、圖像失真度低等優(yōu)點(diǎn)，很好的解決了現(xiàn)有AFM 針尖中存在的問(wèn)題，提高了AFM 的儀器性能。知識(shí)產(chǎn)權(quán)該項(xiàng)研究已經(jīng)申請(qǐng)了歐洲專利，納米技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域的諸多公司表現(xiàn)出了對(duì)該項(xiàng)研究成果的強(qiáng)烈興趣。合作方式 技術(shù)轉(zhuǎn)讓、合作開(kāi)發(fā)、技術(shù)入股。

本發(fā)明公開(kāi)了一種原子力探針位姿調(diào)節(jié)裝置,包括探針座，調(diào)節(jié) 機(jī)構(gòu)和連接頭。其中探針座用于原子力探針的安裝固定；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包 括由下至上的第一調(diào)節(jié)部件、第二調(diào)節(jié)部件、第三調(diào)節(jié)部件、第四調(diào) 節(jié)部件以及第五調(diào)節(jié)部件，分別用于原子力探針的里外水平偏擺、左 右水平、上下旋轉(zhuǎn)、上下俯仰以及上下豎直位姿調(diào)節(jié)；連接頭用于與 原子力探針測(cè)量系統(tǒng)的顯微物鏡相連。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)原子力探針任 意姿態(tài)的細(xì)微調(diào)節(jié)，各個(gè)調(diào)節(jié)動(dòng)作相互獨(dú)立，互不影響，提高了探針 姿態(tài)的調(diào)節(jié)精度；且能夠?qū)φ{(diào)節(jié)后的位姿進(jìn)行鎖定，使其保持穩(wěn)定， 進(jìn)一步保證原子力探針測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。 

本發(fā)明公開(kāi)了一種可溯源白光干涉原子力探針自動(dòng)定位工件方 法，該方法包括如下步驟：在納米級(jí)位移平臺(tái)運(yùn)動(dòng)之前記錄下激光干 涉位移計(jì)量系統(tǒng)的初始位移；接著其在垂直方向上快速產(chǎn)生一個(gè)適量 的位移，在位移發(fā)生后通過(guò)零級(jí)條紋的移動(dòng)量是否在閾值范圍內(nèi)來(lái)判 斷原子力探針是否定位到工件，而如果納米級(jí)垂直位移平臺(tái)在到達(dá)極 限的位移運(yùn)動(dòng)時(shí)還未定位到工件，記錄下其最終位置，并將納米級(jí)垂 直位移平臺(tái)復(fù)位，重復(fù)上述步驟，直至定位到工件。按照本發(fā)明設(shè)定 的自動(dòng)定位的方法，不受原子力探針與工件之間的距離限制，同時(shí)在定位過(guò)程中對(duì)位移進(jìn)行計(jì)量，可實(shí)現(xiàn)可溯源，而采用零級(jí)條紋的移動(dòng) 量來(lái)判斷探針是否定位到工件具有定位快速和高精度的顯著效果。 

一種用于原子力顯微鏡的氣氛控制系統(tǒng)，其特征在于：氣體瓶一（1a）和氣體瓶二（1b）分別通過(guò)流量計(jì)一（3a）、流量計(jì)二（3b）與混合氣管（4）的進(jìn)氣口相連，混合氣管（4）的出氣口通過(guò)進(jìn)氣腔（6）與原子力顯微鏡上的氣氛腔（7）的進(jìn)氣口相連。該系統(tǒng)能為原子力顯微鏡提供不同氣體、各種比例組成的可控混合氣氛，從而使原子力顯微鏡能進(jìn)行各種比例的不同氣體組成的混合氣氛下微機(jī)電系統(tǒng)的磨損失效、防護(hù)機(jī)理的模擬試驗(yàn)與研究，從而為相應(yīng)混合氣氛工作中的微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造與維護(hù)提供更準(zhǔn)確、可靠的試驗(yàn)依據(jù)，以降低微機(jī)電系統(tǒng)的磨損，提高微機(jī)電系統(tǒng)的使用壽命。

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于原子力顯微鏡的多功能組合探針系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在各種設(shè)定的工作環(huán)境中通過(guò)程序控制原位切換具有不同功能的探針，從而在同一實(shí)驗(yàn)區(qū)域原位實(shí)現(xiàn)微觀摩擦磨損實(shí)驗(yàn)、表面形貌掃描、晶體結(jié)構(gòu)演變探測(cè)和摩擦能量耗散測(cè)量等功能。該系統(tǒng)在原位切換探針時(shí)，無(wú)需破壞工作環(huán)境，有效避免外界環(huán)境對(duì)樣品表面的污染。

技術(shù)成熟度：原型驗(yàn)證 原理：模型將漿錨連接節(jié)點(diǎn)破壞視為兩個(gè)階段，第一階段為粘結(jié)破壞，即砂漿與鋼筋和鋼筋斷裂前（包括斷裂時(shí)）時(shí)段，第二階段為滑移破壞，即砂漿與鋼筋和鋼筋斷裂后時(shí)段。第一階段依靠梁?jiǎn)卧M，第二階段依靠彈簧單元模擬，這樣準(zhǔn)確的反映了漿錨連接發(fā)生時(shí)的強(qiáng)度破壞及之后的滑移脫離現(xiàn)象。 創(chuàng)新點(diǎn)：提出了建模工藝，給出了適用于模型的彈簧單元、梁?jiǎn)卧緲?gòu)關(guān)系。 應(yīng)用場(chǎng)景：漿錨節(jié)點(diǎn)超限分析，漿錨節(jié)點(diǎn)抗震性能分析。 應(yīng)用案例：約束漿錨鋼筋極限搭接連接剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能分析，裝配法加固剪力墻施工模擬過(guò)程分析。 成果獲獎(jiǎng)：吉林省土木建筑學(xué)會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。 成果評(píng)價(jià)：建模簡(jiǎn)單、計(jì)算快速、經(jīng)過(guò)多篇論文驗(yàn)證傳力與實(shí)際情況偏差小于10%。

本發(fā)明公開(kāi)了一種原子力探針位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)。包括探針座，調(diào) 節(jié)機(jī)構(gòu)和連接頭。其中探針座用于原子力探針的安裝固定;調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 包括由下至上的第一調(diào)節(jié)部件、第二調(diào)節(jié)部件、第三調(diào)節(jié)部件以及第 四調(diào)節(jié)部件，分別用于原子力探針的里外水平偏擺、左右水平和上下 旋轉(zhuǎn)、上下俯仰以及上下豎直位姿調(diào)節(jié);連接頭用于與顯微物鏡相連。 本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)原子力探針姿態(tài)在五個(gè)自由度上的細(xì)微調(diào)節(jié)，各個(gè)調(diào) 節(jié)動(dòng)作相互獨(dú)立，彼此不發(fā)生干涉，互不影響，提高了探針姿態(tài)的調(diào) 節(jié)精度;且能夠?qū)φ{(diào)節(jié)后的位姿進(jìn)行鎖定，使其保持穩(wěn)定。