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原子力顯微鏡是具有極高分辨率和穩(wěn)定性的表面測量儀器，是納米技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。同時這項(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。并通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的微弱的相互作用力來研究物質(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，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，由于價電子云的相互重疊和兩個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，通過檢測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，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應(yīng)關(guān)系，即與樣品表面的起伏具有對應(yīng)關(guān)系。微懸臂的偏轉(zhuǎn)量十分微小，無法進(jìn)行直接檢測，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，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；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)動力，能同時適用于較小與較大、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)信息計算的全部操作。可用鼠標(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)注功能及粒徑測量功能；具備納米級表面微觀粗糙度的統(tǒng)計及計算功能；可精確測定樣品表面的微納米級臺階高度和深度；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。   簡單便捷的儀器操作 AFM的操作十分簡單和便捷，一般操作人員即可完成，無需專人操作和維護(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。   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、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，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。對被測材料樣品無特殊要求，免去繁瑣的樣品制備過程，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。它通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。將一對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)動狀態(tài)發(fā)生變化。掃描樣品時，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級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)動檢測裝置，監(jiān)控其運(yùn)動的反饋回路，使樣品進(jìn)行掃描的壓電陶瓷掃描器件，計算機(jī)控制的圖像采集、顯示及處理系統(tǒng)組成。微懸臂運(yùn)動可用如隧道電流檢測等電學(xué)方法或光束偏轉(zhuǎn)法、干涉法等光學(xué)方法檢測，當(dāng)針尖與樣品充分接近相互之間存在短程相互斥力時，檢測該斥力可獲得表面原子級分辨圖像，一般情況下分辨率也在納米級水平。AFM 測量對樣品無特殊要求，可測量固體表面、吸附體系等。

項(xiàng)目簡介 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)，是一種可用來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。它通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。將一對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)動狀態(tài)發(fā)生變化。掃描樣品時，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級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)動檢測裝置，監(jiān)控其運(yùn)動的反饋回路，使樣品進(jìn)行掃描的壓電陶瓷掃描器件，計算機(jī)控制的圖像采集、顯示及處理系統(tǒng)組成。微懸臂運(yùn)動可用如隧道電流檢測等電學(xué)方法或光束偏轉(zhuǎn)法、干涉法等光學(xué)方法檢測，當(dāng)針尖與樣品充分接近相互之間存在短程相互斥力時，檢測該斥力可獲得表面原子級分辨圖像，一般情況下分辨率也在納米級水平。AFM 測量對樣品無特殊要求，可測量固體表面、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，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)，一般通過電子束加工針尖使其曲率半徑達(dá)到幾個納米，來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，針尖掃描時的磨損對分辨率也有影響。AFM 能獲得原子分辨率，主要是因?yàn)樵谄溽樇獾谋砻娲嬖谥蛹壍耐黄穑瑯?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、圖像失真度低等優(yōu)點(diǎn)，很好的解決了現(xiàn)有AFM 針尖中存在的問題，提高了AFM 的儀器性能。知識產(chǎn)權(quán)該項(xiàng)研究已經(jīng)申請了歐洲專利，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、合作開發(fā)、技術(shù)入股。

本發(fā)明公開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)，各個調(diào)節(jié)動作相互獨(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量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。 

本發(fā)明公開了一種可溯源白光干涉原子力探針自動定位工件方 法，該方法包括如下步驟：在納米級位移平臺運(yùn)動之前記錄下激光干 涉位移計量系統(tǒng)的初始位移；接著其在垂直方向上快速產(chǎn)生一個適量 的位移，在位移發(fā)生后通過零級條紋的移動量是否在閾值范圍內(nèi)來判 斷原子力探針是否定位到工件，而如果納米級垂直位移平臺在到達(dá)極 限的位移運(yùn)動時還未定位到工件，記錄下其最終位置，并將納米級垂 直位移平臺復(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 的自動定位的方法，不受原子力探針與工件之間的距離限制，同時在定位過程中對位移進(jìn)行計量，可實(shí)現(xiàn)可溯源，而采用零級條紋的移動 量來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）分別通過流量計一（3a）、流量計二（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、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)演變探測和摩擦能量耗散測量等功能。該系統(tǒng)在原位切換探針時，無需破壞工作環(huán)境，有效避免外界環(huán)境對樣品表面的污染。

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）時段，第二階段為滑移破壞，即砂漿與鋼筋和鋼筋斷裂后時段。第一階段依靠梁單元模擬，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、梁單元本構(gòu)關(guān)系。 應(yīng)用場景：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程分析。 成果獲獎：吉林省土木建筑學(xué)會科技進(jìn)步一等獎。 成果評價：建模簡單、計算快速、經(jīng)過多篇論文驗(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)在五個自由度上的細(xì)微調(diào)節(jié)，各個調(diào) 節(jié)動作相互獨(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。