3、光路调整好后，用读数显微镜观察，看视场是否最亮，干涉环是否锐细，否则应调L1、L2或检查F-P标准具是否已调平行。当视场中得到亮而锐的干涉一派事，再加磁场观察塞曼效应现象。转动偏振片，详细观察5461A谱线分裂后的元成份和α成份。4、用读数显微镜观察出如图3-7所示的光谱线，测量5461A谱线分裂后的元成份连续相邻三个圆环的R。R、R。值，用（3-19）、（3-20)、（3-21)、（3-22）式分别算出波长差和波数差。4R-1RaRcRkRbB-OB+0图3-7不加磁场和加磁场后元分量光谱e一的实验值，H为实验时的磁场值，用毫特斯拉计测量，5、实验值与理论值比较。由（3-14）式算出4元mc4V为实验中测量的4Va和4Vc的平均值。Mg2-Mgl=理论值e=4.67×10（cm-.高斯-)4元mc【思考问题】1、如果要求沿磁场方向去观察塞曼效应，怎样实现？2、F-P标准具为什么能测量光源中微小的波长差？【参考文献】1、褚圣麟，原子物理学，人民教育出版社，1979年。2、华中师范大学物理系，近代物理实验，华中师范大学出版社，1988年。3、吴思诚，王祖铨主编，近代物理实验，北京大学出版社，1986年。4、冯郁芬等编，近代物理实验，陕西师范大学出版社，1988年。-16-
- 16 - 3、光路调整好后，用读数显微镜观察，看视场是否最亮，干涉环是否锐细，否则应调 L1、L2 或检查 F-P 标准具是否已调平行。当视场中得到亮而锐的干涉一派事，再加磁场观察塞曼效应现象。转动偏振片， 详细观察 5461Å 谱线分裂后的π 成份和σ 成份。 4、 用读数显微镜观察出如图3-7所示的光谱线，测量5461Å谱线分裂后的π 成份连续相邻三个圆环的 Ra 、 Rb 、 Rc 值，用（3-19）、（3-20）、（3-21）、（3-22）式分别算出波长差和波数差。 图 3-7 不加磁场和加磁场后π 分量光谱 5、 实验值与理论值比较。由（3-14）式算出 mc e 4π 的实验值，H 为实验时的磁场值，用毫特斯拉计测量， ν ~ Δ 为实验中测量的 Δν ab ~ 和 Δν bc ~ 的平均值。 2 1 M2g2 −M1g1 = ，理论值 4.67 10 5 ( 1 高斯－1 ） 4 = × ⋅ − − cm mc e π 【思考问题】 1、如果要求沿磁场方向去观察塞曼效应，怎样实现？ 2、F-P 标准具为什么能测量光源中微小的波长差？ 【参考文献】 1、 褚圣麟，原子物理学，人民教育出版社，1979 年。 2、 华中师范大学物理系，近代物理实验，华中师范大学出版社，1988 年。 3、 吴思诚，王祖铨主编，近代物理实验，北京大学出版社，1986 年。 4、 冯郁芬等编，近代物理实验，陕西师范大学出版社，1988 年
实验4用原子力显微镜观测固体表面形貌【实验目的】一、了解原子力显微镜的工作原理和和使用方法。二、观测固体表面形貌。三、测量纳米级微观粗糙度。四、测量原子力曲线。【实验原理】1982年，IBM公司苏黎世实验室的G.Binnig和H.Rohrer发明了世界上第一台扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscope，简称STM)。利用STM，人类有史以来第一次在实空间观察到了原子的晶格结构图像。为此，其研制者在1986年获得诺贝尔物理学奖。在STM的基础上，后来又发展出原子力显微镜（AtomicForceMicroscope，简称AFM)，光子扫描隧道显微镜（PSTM)，扫描近场光学显微镜（SNOM)，静电力显微镜（EFM)，磁力显微镜（MFM），扫描离子电导显微镜（SICM）等，形成一个扫描探针显微镜（ScanningProbeMicroscope，简称SPM）家族。STM和AFM等仪器的问世，为人类认识超微观世界的奥秘提供了有力的观察和研究工具，已经在物理学、高分子化学、材料科学、光电子学、生命科学和微电子技术等领域中得到广泛应用。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，原子力表现为吸引力。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静电相互作用，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现形貌的。【实验方法】AFM采用对微弱力极其敏感的微悬臂作为力传感器一微探针。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）F使微悬臂扭曲，法向（纵向）力F，将推动微悬臂偏转。我们所关心的主要是纵向力Fn，它与针尖一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，需要间接的方法测量，国际上商品化的AFM多采用光学方法将偏转量放大。如图1所示，一束激光投射到微悬臂的外端后被反射，反射光束被位置敏感元件（PSD）接收。显然，反射到PSD光敏面上光斑的偏转位移量与微悬臂的偏转量成正比，但前者比后者放大了一千至数千倍，放大后的位移量可以直接通过检测PSD输出光电流的大小而精确测定。当样品扫描时，作用于针尖上的原子力随样品表面的起伏而变化，检测PSD输出光电流的大小，即可推知微悬臂偏转量（即- 17-
- 17 - 实验 4 用原子力显微镜观测固体表面形貌 【实验目的】 一、 了解原子力显微镜的工作原理和和使用方法。 二、 观测固体表面形貌。 三、 测量纳米级微观粗糙度。 四、 测量原子力曲线。 【实验原理】 1982 年，IBM 公司苏黎世实验室的 G.Binnig 和 H.Rohrer 发明了世界上第一台扫描隧道显微镜 （Scanning Tunneling Microscope，简称 STM）。利用 STM，人类有史以来第一次在实空间观察到了原子的 晶格结构图像。为此，其研制者在 1986 年获得诺贝尔物理学奖。在 STM 的基础上，后来又发展出原子力 显微镜（Atomic Force Microscope，简称 AFM），光子扫描隧道显微镜（PSTM），扫描近场光学显微镜 （SNOM），静电力显微镜（EFM），磁力显微镜（MFM），扫描离子电导显微镜（SICM）等，形成一个扫 描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，简称 SPM）家族。STM 和 AFM 等仪器的问世，为人类认识 超微观世界的奥秘提供了有力的观察和研究工具，已经在物理学、高分子化学、材料科学、光电子学、生 命科学和微电子技术等领域中得到广泛应用。 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，原子力表现为吸引力。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 的电荷间的静电相互作用，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现形貌的。 【实验方法】 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，需要间接的方法测量，国际上商品化的 AFM 多采用 光学方法将偏转量放大。如图 1 所示，一束激光投射到微悬臂的外端后被反射，反射光束被位置敏感元件 （PSD）接收。显然，反射到 PSD 光敏面上光斑的偏转位移量与微悬臂的偏转量成正比，但前者比后者放 大了一千至数千倍，放大后的位移量可以直接通过检测 PSD 输出光电流的大小而精确测定。当样品扫描时， 作用于针尖上的原子力随样品表面的起伏而变化，检测 PSD 输出光电流的大小，即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AFM的工作原理与STM相似。所不同的是，AFM利用的是原子之间的相互作用力而不是STM的随道电流，因而可以克服STM只能测量导电体的缺点。广泛用于导体、半导体和绝缘体样品的表面形貌的检测。激光器PSD微悬警（探针）样品图1AFM的微探针及工作原理示意图【实验仪器】本实验所用的仪器是浙江大学光电信息及检测技术研究所杭州亚纳科技有限公司研制的AFM一Ila型原子力显微镜，它是在AFM-I型和AFM一II型基础上发展完善的高性能仪器。AFM一IIa型原子力显微镜由AFM探头系统（主体）、低压与高压控制机箱、高压电源、A/D或L/A接口和计算机系统等部分组成。AFM探头系统（主体）包括机、光、电三部分，由基座、微悬臂（微探针）、激光器、光路系统、位置敏感元件（PSD）接收器、XY扫描控制器、Z向（纵向）反馈控制器、样品台、粗调和微调机构等构成。控制机箱包括前置放大器、PID反馈控制电路、XY扫描控制电路、多路高压放大电路、数字显示电路、低压电源等。高压电源输出正350V的直流电压，提供给高压放大电路，驱动压电陶瓷的扫描与反馈运动。仪器还附有光学显微镜与CCD摄像系统，可对探针与样品表面进行较大范围的预观察与成像（光学分辨率1μm、成像范围1500um）。计算机控制系统包括高速多通道A/D板，高速多通道D／A板，图像采集卡，电压跟随与保护电路，数据采集软件和图象处理软件，图像取软件等。仪器的系统框图如图2所示。- 18-
- 18 - 原子力）的大小，最终获得样品表面的微观形貌。 AFM 的工作原理与 STM 相似。所不同的是，AFM 利用的是原子之间的相互作用力而不是 STM 的隧 道电流，因而可以克服 STM 只能测量导电体的缺点。广泛用于导体、半导体和绝缘体样品的表面形貌的 检测。 图 1 AFM 的微探针及工作原理示意图 【实验仪器】 本实验所用的仪器是浙江大学光电信息及检测技术研究所杭州亚纳科技有限公司研制的 AFM—IIa 型 原子力显微镜，它是在 AFM—I 型和 AFM—II 型基础上发展完善的高性能仪器。 AFM—IIa 型原子力显微镜由 AFM 探头系统（主体）、低压与高压控制机箱、高压电源、A／D 或 D ／A 接口和计算机系统等部分组成。AFM 探头系统（主体）包括机、光、电三部分，由基座、微悬臂（微 探针）、激光器、光路系统、位置敏感元件（PSD）接收器、XY 扫描控制器、Z 向（纵向）反馈控制器、 样品台、粗调和微调机构等构成。控制机箱包括前置放大器、PID 反馈控制电路、XY 扫描控制电路、多 路高压放大电路、数字显示电路、低压电源等。高压电源输出正 350V 的直流电压，提供给高压放大电路， 驱动压电陶瓷的扫描与反馈运动。仪器还附有光学显微镜与 CCD 摄像系统，可对探针与样品表面进行较 大范围的预观察与成像(光学分辨率 1μm、成像范围 1500μm)。计算机控制系统包括高速多通道 A／D 板， 高速多通道 D／A 板，图像采集卡，电压跟随与保护电路，数据采集软件和图象处理软件，图像撷取软件 等。仪器的系统框图如图 2 所示
Vrer比较前置放大放大器与运算U光电流信号+■探头系统U反馈高压积分器4放大器HVzVzA/D&扫描DIAHVxX高压放大器放大器HVYY图2AFM-Ila型原子力显微镜系统框图（一）仪器技术指标：1、AFM的扫描范围：3.2umx3.2m（可在此范围内调节）。2、AFM的分辨率：横向优于1nm，纵向优于0.1nm。3、图像采样象素点：180×180点/幅，400×400点／幅。4、扫描速度可任意调节，最大图像扫描速率：1幅图像/5秒。5、图像格式：通用的BMP格式，可直接存储、剪贴、打印等。6、进口微探针，微悬臂有效长度100um和200um。7、金相光学显微镜与CCD摄像监控系统（光学分辨率1um、成像范围1500um）。（二）仪器主要性能：1、同时适用于纳来科技研究和产品检测，简明直观的仪器操作和维护。2、Windows98/Me系统的图像扫描与处理软件，简洁优化的中文操作界面。3、可用鼠标任意选择局部扫描区域；实现图像的平移、定位和缩放。4、可设定扫描次数并自动控制扫描停止。5、具有实现X和Y方向的面扫描和线扫描的功能。6、高质量的平面图像显示与三维立体图像显示。7、完善的图像处理功能（包括裁剪、粘贴、旋转、对比亮调节、亮度调节、颜色调整、背景色调整、图像平滑、滤波等）。8、图像的尺寸标注功能（二维和三维标尺）。9、纳米级微观粗糙度统计及计算功能。（三）软件功能：配套软件基于Windows98界面，如图3所示。能够完成对样品的图像扫描，图像显示和图像处理等功能。- 19-
- 19 - 图 2 AFM—IIa 型原子力显微镜系统框图 （一）仪器技术指标： 1、AFM 的扫描范围：3.2μm×3.2μm(可在此范围内调节)。 2、AFM 的分辨率：横向优于 1nm，纵向优于 0.1 nm。 3、图像采样象素点：180×180 点／幅，400×400 点／幅。 4、扫描速度可任意调节，最大图像扫描速率：1 幅图像／5 秒。 5、图像格式：通用的 BMP 格式，可直接存储、剪贴、打印等。 6、进口微探针，微悬臂有效长度 100μm 和 200μm。 7、金相光学显微镜与 CCD 摄像监控系统(光学分辨率 1μm、成像范围 1500μm)。 （二）仪器主要性能： 1、同时适用于纳米科技研究和产品检测，简明直观的仪器操作和维护。 2、Windows98／Me 系统的图像扫描与处理软件，简洁优化的中文操作界面。 3、可用鼠标任意选择局部扫描区域；实现图像的平移、定位和缩放。 4、可设定扫描次数并自动控制扫描停止。 5、具有实现 X 和 Y 方向的面扫描和线扫描的功能。 6、高质量的平面图像显示与三维立体图像显示。 7、完善的图像处理功能(包括裁剪、粘贴、旋转、对比亮调节、亮度调节、颜色调整、背景色调整、 图像平滑、滤波等)。 8、图像的尺寸标注功能（二维和三维标尺）。 9、纳米级微观粗糙度统计及计算功能。 （三）软件功能： 配套软件基于 Windows98 界面，如图 3 所示。能够完成对样品的图像扫描，图像显示和图像处理等功 能
1、图像扫描功能：软件的扫描功能包括图像扫描参数的设定、图像扫描以及图像实时显示和捕获，可以根据具体情况选择所需图像进行捕获和存储。2、图像显示和处理功能：软件能对图像进行平面显示和立体显示。可以根据实际需要实现图像的裁剪、平滑、旋转、添如色彩、加注标尺等功能，并可调整图像的色调，对比度和亮度等。BHEREON（SMKAN12uDOLMeR园ES美开6e3EPn图3图像扫描与图像处理软件界面【实验步骤】(一)控制机箱及面板联接控制机箱前面板如图4所示。AFM一IIa原子力显微镜PSD信号示波器监视低压输出LVOonOoffOOO?VzPSD反馈开关XoutYoutZ反馈信号低压输入PSD信号调书OOOOOXinZin反馈调节Yir前置放大一高压放大HVZFeedbackToXYSeanOOOXoutYoua图4AFM一Ila控制机箱前面板示意图-20-
- 20 - 1、图像扫描功能：软件的扫描功能包括图像扫描参数的设定、图像扫描以及图像实时显示和捕获，可以 根据具体情况选择所需图像进行捕获和存储。 2、图像显示和处理功能：软件能对图像进行平面显示和立体显示。可以根据实际需要实现图像的裁剪、 平滑、旋转、添如色彩、加注标尺等功能，并可调整图像的色调，对比度和亮度等。 图 3 图像扫描与图像处理软件界面 【实验步骤】 (一)控制机箱及面板联接 控制机箱前面板如图 4 所示。 图 4 AFM—IIa 控制机箱前面板示意图