原子力显微镜是具有极高分辨率和稳定性的表面测量仪器，是纳米技术发展的重要基础。同时这项技术已广泛应用于材料、生物、化学和环境等领域。本装置利用自动化、光电转换、光杠杆原理等技术，形象的演示了其工作原理。并通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的微弱的相互作用力来研究物质的表面结构信息。

实验原理 AFM是SPM家族中应用领域最为广泛的表面观察与研究工具之一。其工作原理基于原子之间的相互作用力。当一根十分尖锐的微探针在纵向充分逼近样品表面至数纳米甚至更小间距时，微探针尖端的原子和样品表面的原子之间将产生相互作用的原子力。原子力的大小与间距之间存在一定的曲线关系。在间距较大的起始阶段，原子力表现为引力，随着间距的进一步减小，由于价电子云的相互重叠和两个原子核的电荷间的相互作用，原子力又转而表现为排斥力。这种排斥力随着间距的缩短而急剧增大。AFM正是利用原子力与间距之间的这些关系，通过检测原子间的作用力而获得样品表面的微观形貌的。   仪器概述 AFM采用对微弱力极其敏感的微悬臂作为力传感器──微探针。微悬臂一端固定，另一端置有一与微悬臂平面垂直的金字塔状微针尖。当针尖与样品之间的距离逼近到一定程度时，两者间将产生相互作用的原子力，其中切向力（摩擦力）Ft使微悬臂扭曲，法向（纵向）力Fn将推动微悬臂偏转。我们所关心的主要是纵向力Fn，它与针尖──样品间距成一定的对应关系，即与样品表面的起伏具有对应关系。微悬臂的偏转量十分微小，无法进行直接检测，采用光学方法将偏转量放大，可推知微悬臂偏转量（即原子力）的大小，最终获得样品表面的微观形貌。   仪器特点 特有的卧式探头 卧式AFM探头设计，使原子力作用方向与重力方向垂直而互不干扰；降低了探头的整体重心；克服了原有粗调与微调逼近机构的垂直蠕动；具有独特的卧式可视化光路。探头及仪器性能更加稳定和优越。   稳定的三轴压电扫描器 采用互相正交的三轴压电陶瓷扫描控制器，X、Y、Z三轴压电陶瓷之间互不耦合，可保证扫描图像不因耦合而失真；扫描器具有更好的扫描线性和独立性、更高的强度和刚度，兼具更强的扫描驱动力，能同时适用于较小与较大、较轻与较重样品的扫描成像。   优化的检测与控制系统 采用优化的微纳米扫描与反馈控制电路系统，配以多路高精度A/D&D/A控制接口，可获得更高的扫描分辨率、更好的重复性和更佳的图像质量。   完善的软件界面与功能 功能强大、界面友好，可适用于Windows XP/Win7/Win8/Win10等操作系统。一般操作者均可轻松而熟练地掌握，只需点击鼠标，即可完成从图像扫描到图像处理及数据信息计算的全部操作。可用鼠标任意选择局部扫描区域，实现图像平移、定位和缩放；可设定扫描次数并自动控制扫描停止；具有实现X、Y方向的面扫描和线扫描的功能；可获得样品表面的纳米级三维形貌结构和截面线；高质量的彩色/黑白平面图像显示与三维立体图像显示；具有图像的二维和三维纳米标尺标注功能及粒径测量功能；具备纳米级表面微观粗糙度的统计及计算功能；可精确测定样品表面的微纳米级台阶高度和深度；完善的图像处理功能，包括裁剪、粘贴、旋转、对比调节、亮度调节、颜色调整、背景色调整、图像平滑、滤波等。   简单便捷的仪器操作 AFM的操作十分简单和便捷，一般操作人员即可完成，无需专人操作和维护。安装探针、安装样品、粗调和微调进样、图像扫描、图像存储等操作，均可在1分钟内完成。特别适用于科学研究、教学实验及产品检测。   高稳定性与抗干扰能力 AFM既可在良好的实验条件下完美工作，也可在有一般实验室、普通桌面、有轻微振动、有环境干扰、有光照等条件下正常运作，快速扫描观察各种微纳米样品，获得理想的图像和微纳米结构信息。具备更好的稳定性和抗震性，更强的抗（光、电、磁等）干扰能力，更快的扫描速度（最快1幅图像/1~6秒，作为对比，进口仪器的扫描速率一般为1幅图像/10~20分钟甚至更慢）。   高适用性广泛应用领域 可同时适用于科学研究、本科生和研究生的教学实验及纳米技术产品的检测，广泛适用于各种金属/非金属、导体/非导体、磁性/非磁性材料样品的扫描检测。对被测材料样品无特殊要求，免去繁琐的样品制备过程，可直接扫描获得微纳米结构信息。   实验内容与典型实验数据 部分扫描测试样品的AFM图像   部件列表 描述 数量 原子力显微镜探头 1 控制机箱 1 直流高压电源 1 A/D&D/A控制接口卡 1 AFM微探针 15组60 tips USB光学显微镜 1 一体机, 含AFM扫描控制软件 1 样品 5 剪刀、镊子、启子、放大镜等工具 1

原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)，是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。 原子力显微镜主要由带针尖的微悬臂，微悬臂运动检测装置，监控其运动的反馈回路，使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件，计算机控制的图像采集、显示及处理系统组成。微悬臂运动可用如隧道电流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测，当针尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时，检测该斥力可获得表面原子级分辨图像，一般情况下分辨率也在纳米级水平。AFM 测量对样品无特殊要求，可测量固体表面、吸附体系等。

项目简介 原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)，是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。原子力显微镜主要由带针尖的微悬臂，微悬臂运动检测装置，监控其运动的反馈回路，使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件，计算机控制的图像采集、显示及处理系统组成。微悬臂运动可用如隧道电流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测，当针尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时，检测该斥力可获得表面原子级分辨图像，一般情况下分辨率也在纳米级水平。AFM 测量对样品无特殊要求，可测量固体表面、吸附体系等。a 传统的商业CAFM 针尖图  b 覆盖有石墨烯层的CAFM 针尖应用范围原子力显微镜(AFM) 在许多基础研究领域中得到广泛使用，是超微观察工具，特别是对于不具有导电性的生物样品和有机材料等，AFM 同样可以提供较高分辨率的表面形貌图像。同时，AFM 还具有操纵和改造原子、分子世界的手段。原子力显微镜为了避免加宽效应，一般通过电子束加工针尖使其曲率半径达到几个纳米，来提高图像的分辨率和准确度。但仍然存在着一些局限性，例如：针尖性质的变化很大，获得高分辨率的图像变得很难。另外，针尖扫描时的磨损对分辨率也有影响。AFM 能获得原子分辨率，主要是因为在其针尖的表面存在着原子级的突起，构成了与样品的实际接触。但是这些突起的尺寸形状和化学组成是未知的，而且在实验中经常发生改变，因此获得可信赖的针尖是成像过程中获得高分辨率的关键。不同的针尖适用于AFM 不同的应用领域。导电原子力显微镜（CAFM）采用固体金属作AFM 的针尖，对材料进行纳米尺度的电学表征依然存在着同样的困扰。 项目阶段北京大学工学院研究团队利用单层石墨烯包覆CAFM 金属针尖，发现石墨烯包覆的针尖保留了包覆前针尖的形状，并且包覆的针尖能承受非常高的电流和摩擦力。新型针尖具有稳定、耐磨、寿命长、图像失真度低等优点，很好的解决了现有AFM 针尖中存在的问题，提高了AFM 的仪器性能。知识产权该项研究已经申请了欧洲专利，纳米技术设备领域的诸多公司表现出了对该项研究成果的强烈兴趣。合作方式 技术转让、合作开发、技术入股。

本发明公开了一种原子力探针位姿调节装置,包括探针座，调节 机构和连接头。其中探针座用于原子力探针的安装固定；调节机构包 括由下至上的第一调节部件、第二调节部件、第三调节部件、第四调 节部件以及第五调节部件，分别用于原子力探针的里外水平偏摆、左 右水平、上下旋转、上下俯仰以及上下竖直位姿调节；连接头用于与 原子力探针测量系统的显微物镜相连。本发明能够实现原子力探针任 意姿态的细微调节，各个调节动作相互独立，互不影响，提高了探针 姿态的调节精度；且能够对调节后的位姿进行锁定，使其保持稳定， 进一步保证原子力探针测量系统的稳定性和精度。 

本发明公开了一种可溯源白光干涉原子力探针自动定位工件方 法，该方法包括如下步骤：在纳米级位移平台运动之前记录下激光干 涉位移计量系统的初始位移；接着其在垂直方向上快速产生一个适量 的位移，在位移发生后通过零级条纹的移动量是否在阈值范围内来判 断原子力探针是否定位到工件，而如果纳米级垂直位移平台在到达极 限的位移运动时还未定位到工件，记录下其最终位置，并将纳米级垂 直位移平台复位，重复上述步骤，直至定位到工件。按照本发明设定 的自动定位的方法，不受原子力探针与工件之间的距离限制，同时在定位过程中对位移进行计量，可实现可溯源，而采用零级条纹的移动 量来判断探针是否定位到工件具有定位快速和高精度的显著效果。 

一种用于原子力显微镜的气氛控制系统，其特征在于：气体瓶一（1a）和气体瓶二（1b）分别通过流量计一（3a）、流量计二（3b）与混合气管（4）的进气口相连，混合气管（4）的出气口通过进气腔（6）与原子力显微镜上的气氛腔（7）的进气口相连。该系统能为原子力显微镜提供不同气体、各种比例组成的可控混合气氛，从而使原子力显微镜能进行各种比例的不同气体组成的混合气氛下微机电系统的磨损失效、防护机理的模拟试验与研究，从而为相应混合气氛工作中的微机电系统的设计、制造与维护提供更准确、可靠的试验依据，以降低微机电系统的磨损，提高微机电系统的使用寿命。

本发明公开了一种基于原子力显微镜的多功能组合探针系统。该系统能在各种设定的工作环境中通过程序控制原位切换具有不同功能的探针，从而在同一实验区域原位实现微观摩擦磨损实验、表面形貌扫描、晶体结构演变探测和摩擦能量耗散测量等功能。该系统在原位切换探针时，无需破坏工作环境，有效避免外界环境对样品表面的污染。

本发明公开了一种原子力探针位姿调整机构。包括探针座，调 节机构和连接头。其中探针座用于原子力探针的安装固定;调节机构 包括由下至上的第一调节部件、第二调节部件、第三调节部件以及第 四调节部件，分别用于原子力探针的里外水平偏摆、左右水平和上下 旋转、上下俯仰以及上下竖直位姿调节;连接头用于与显微物镜相连。 本发明能够实现原子力探针姿态在五个自由度上的细微调节，各个调 节动作相互独立，彼此不发生干涉，互不影响，提高了探针姿态的调 节精度;且能够对调节后的位姿进行锁定，使其保持稳定。

本发明公开了一种基于白光干涉原子力探针扫描显微镜探针系 统的成像自动调整装置自动及其控制方法，该装置主要包括计算机， 夹持机构及铰链机构，原子力探针及其探针组件，白光干涉显微系统， 面 CCD 光路连接筒。在白光干涉原子力探针显微镜连接完成的情况 下，根据面 CCD 上探针的成像与面 CCD 坐标系的水平夹角，通过计算机来控制舵机偏转一定的角度，使得原子力探针在面 CCD 中的成像 与面 CCD 坐标系中的夹角在误差范围内，从而得到测量的结果有较小 的测量误差。本发明可以实现探针在面 CCD 中的成