第３５卷 第５期 物 理 实 验 ＶｏＩ．３５ ＮＯ．５ ２０１５年５月 ＰＨＹＳＩＣＳ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＴＩｏＮ Ｍａｙ，２０１５ 原子力显微镜实验的教学研究 王中平，谢 宁，张宪峰，张增明，孙腊珍 （中国科学技术大学物理学院’物理实验教学中心，安徽合肥２３００２６） 摘要：利用磁控溅射法在硅衬底沉积金属铝作为光学薄膜样品、硅衬底表面制备单分散的国家标准物质以及 ＤＮＡ分散在云母片表面的生物样品，作为不同组的学生进行实验的研究样品，在室温下以不同型号原子力显微镜的轻 敲模式进行样品的图像扫描，然后不同组的同学对实验结果进行比较讨论，学习掌握原子力显微镜的表征内容．实验结 合了近代的样品制备技术、标准化的知识以及生物样品的制备方法和现代化的表征测试手段，适合本科生的研究型实验 教学． 关键词：原子力显微镜；标准样品；金属薄膜；ＤＮＡ 中图分类号：ＴＨ７４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５—４６４２（２０１５）０５—００２４—０６ １ 引 言 仪器，可对各种材料和样品进行纳米区域的物质 性质包括形貌进行探测，现已广泛应用于半导体、 显微镜作为研究物质宏观结构和表面形貌观 纳米功能材料、生物、化工、食品、医药等研究领 察的有力工具，具有很高的分辨本领和放大倍数． 域，成为科学研究的基本工具，具有广阔的应用前 从１７世纪初应用于科学研究开始，显微镜的发明 景和强大的生命力［２－６，１１－１４３． 和利用把人类的视野从宏观引入到微观，直接导 ＡＦＭ扫描能提供各种类型样品的表面状态 致了１９世纪细胞学、微生物学等学科的建立．显 信息，其优点是在大气条件下，以高倍率观察样品 微镜的发展大致可分为３代：第一代显微镜—— 表面，可用于几乎所有样品（对表面光洁度有一定 光学显微镜（Ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，０Ｍ），第二代 要求），而不需要进行其他制样处理，就可以得到 显微镜——电子显微镜（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ， 样品表面的三维形貌图像，并可对扫描所得的三 ＥＭ），第三代显微镜——扫描隧道显微镜（Ｓｃａｎ— 维形貌图像进行粗糙度计算、厚度、步宽、方框图 ｎｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ，ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，ＳＴＭ）［１－６］．ＳＴＭ使 或颗粒度分析．结合ＡＦＭ样品制备技术与 人类能够实时观察单个原子在物质表面的排列状 ＡＦＭ表征技术的近代物理实验，融入研究性实 态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，其具 验的各个环节，采用不同组别的学生制备不同类 有高分辨率，能够获得表面三维图像，可工作在大 型的样品，利用ＡＦＭ进行表面形貌的表征，再结 气、真空、溶液环境下，亦可改变工作温度．ＳＴＭ 合实验结果进行课堂讨论，让学生掌握ＡＦＭ的 是通过检测针尖和样品之间隧道电流的变化来探 基本原理的同时，掌握样品制备技术和学习ＡＦＭ 测表面信号，这决定了其只能直接观察导体和半 测试表征的表面状态信息． 导体的表面结构，不能对绝缘表面进行测试．为 了弥补ＳＴＭ的不足，１９８６年Ｂｉｎｉｎｇ、Ｑｕａｔｅ和 ２ 实验原理 Ｇｅｒｂｅｒ发明了第１台原子力显微镜（Ａｔｏｍ ｆｏｒｃｅ ＡＦＭ是一种以物理学原理为基础，通过扫 ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，ＡＦＭ）［７ｄ１］，ＡＦＭ是继ＳＴＭ之后 描探针与样品表面原子的相互作用而成像的新型 发明的能从原子尺度观察导体和半导体表面的原 表面分析仪器．ＡＦＭ是利用原子之间的范德华 子形貌，而且几乎可以对所有的表面（导体、半导 力的作用来呈现样品的表面特性［２ ］．利用该力 体以及绝缘体）成像的具有原子级高分辨的新型 的性质，可以让针尖与样品处于不同的间距，从而 “第８届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文 收稿日期：２０１４—０７—２０；修改日期：２０１５—０３—０５ 资助项目：中国科学技术大学教学研究项目（Ｎｏ．２０１４ｊｘｘｍ００９） 作者简介：王中平（１９７６一），男，山东临沂人，中国科学技术大学物理学院副教授，博士，从事凝聚态物理研究． ２８ 物理实验 第３５卷 的原理和使用方法，同时学习一些基本的生物样 品制备方法，以及如何利用原子力显微镜表征生 参考文献： ［１］严隽珏．扫描隧道显微镜［Ｊ］．物理实验，１９８９，９ （４）：１７７—１７９． 物样品．原子力显微镜在不同的工作模式及不同 的环境下可以得到生物样品的表面形貌、表面特 性以及动力学过程等信息． 通过对ＡＦＭ的操作和测试，学生掌握了 ＡＦＭ仪器在科学研究中的作用，为学生将来的 科研工作奠定基础．再次通过不同组的学生对不 ［２］彭昌盛，宋少先，谷庆宝．扫描探针显微技术理论与 应用［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００７：５３—８２． ［３］莫其峰，黄创高，田建民，等．原子力显微镜与表面 形貌观察［Ｊ］．广西物理，２００７，２８（２）：４６—４９． ［４］冉诗勇，王艳伟，杨光参．原子力显微镜扫描成像 同样品的制备和ＡＦＭ扫描观察，各组的学生都 有各自对原子力显微镜的测试表征的认识以及相 关样品的制备知识，以各自的实验结果为基础，进 行相互讨论，加深学生对原子力显微镜的基本原 理和操作的理解和掌握，同时学习不同样品的制 备技术和方法．把实验教学与实验技能、实验知 识、科研创新前景贯穿起来，活跃课堂教学氛围， 充分调动学生的学习兴趣和爱好，并体现在整个 教学的各个环节中． ５ 结束语 ＡＦＭ几乎可以对所有的物体进行研究，其 具有原子级高分辨率，可以观察单个原子层的局 部表面结构，因而可直接观察到表面缺陷、表面重 构、表面吸附体的形态和位置等，可实时得到样品 表面的三维图像，这种可实时观察的性能可用于 表面扩散等动态过程的研究．近年来，随着科学 技术的不断改进和发展，许多新型ＡＦＭ工作模 式不断涌现，与其他技术（如拉曼光谱等光学技 术）联用，进一步拓展在各学科的应用，ＡＦＭ的 功能以及应用范围也将不断地扩大和深入，必将 推动科学技术的巨大进步．在大学物理实验教学 中，面向本科生开设ＳＴＭ实验和ＡＦＭ实验，在 把近代物理实验技术引进实验教学课堂的同时， 使用现代化的实验教学方法优化实验教学模式， 拓宽学生的知识层面，使学生在课堂上所学的理 论知识和实验中观察的现象有机结合在一起，从 而激发学生对研究性实验学习的兴趣，提高了对 理论知识探究的积极性，为学生发挥创造性思维 奠定了基础． ＤＮＡ分子［Ｊ］．物理实验，２０１１，３１（１１）：１－４． ［５］ 白春礼．扫描隧道显微术及其应用［Ｍ］．上海：上 海科技出版社，１９９２：９０－１０５． ［６］ 白春礼，田芳，罗克．扫描力显微镜［Ｍ］．北京：科 学出版社，２０００：６７—９３． ［７］杨旭刚，杨潇．原子力显微术及其应用［Ｍ］．北京： 化学工业出版社，２０１２：４８—１０７． ［８］蔡德斌，刘方新，谢宁，等．ＳＴＭ教学实验样品的拓 展［Ｊ］．物理实验，２００７，２７（６）：１１—１３． ［９］ 熊正烨，丘翠环，张鸿，等．用扫描隧道显微镜 （ＳＴＭ）观察纳米粉体的形貌［Ｊ］．物理实验，１９９９， ２０（６）：３－５． ［１Ｏ］冉诗勇，王艳伟，杨光参．ＤＮＡ分子力学性质的测 量［Ｊ］．物理实验，２０１１，３１（７）：１－４． ［１１］ 白春礼．原子力显微镜的研制和应用［Ｊ］．中国科 学院院刊，１９９０（４）：３４０—３４３． ［１２］马孜，吕百达，肖琦，等．光学薄膜表面形貌的原子 力显微镜观察［Ｊ］．电子显微学报，２０００，１９（５）： ７０４—７０８． ［－１３］王中平，张权，朱玲，等．ＣＣＤ成像辅助激光散斑 实验［Ｊ］．物理实验，２０１０，３Ｏ（１０）：１１—１４． ［１４］王琦，周肇伟．扫描隧道效应显微镜的发展［Ｊ］． 物理实验，１９８８，８（８）：１３６－１３８． ［１５］王中平，张权，朱玲，等．激光散斑照相法测量压电 陶瓷管的电压响应位移特性［Ｊ］．物理实验，２０１３， ３３（３）：３９－４２． ［１６］谷坤明，汤皎宁，李冀，等．扫描探针显微镜应用于 材料纳米摩擦学研究的若干技术问题［Ｊ］．物理实 验，２００７，２７（２）：１１－１５． ［１７］林璋，王琛，冯喜增，等．亚精胺诱导ＤＮＡ凝聚的 有序性的ＡＦＭ研究［Ｊ］．电子显微学报，１９９９，１８ （１）：１０６—１１Ｏ． 第５期 王中平，等：原子力显微镜实验的教学研究 ２９ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ ｂｙ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ＷＡＮＧ Ｚｈｏｎｇ—ｐｉｎｇ，ＸＩＥ Ｎｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｎ—ｆｅｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｚｅｎｇ—ｍｉｎｇ，ＳＵＮ Ｌａ—ｚｈｅｎ （Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｔｅａｃｈｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ＇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｈｅｆｅｉ ２３００２６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒｏｕｐｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｕ— ｓｉｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｋｉｎｄｓ Ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｍｅｔａｌ ｏｒ ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｕｂ— ｓｔｒａｔｅｓ ｂｙ ｍａｇｎｅｔｒｏｎ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ，ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ，ＤＮＡ ｏｒ ｂｉｏｌｏｇｉ— ｃａ１ ｍａｔｅｒｉａｌ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｓ ｏｎ ｍｉｃａ ｓｕｒｆａｃｅ，ｅｔｃ．Ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｒｏｕｐｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ ｉｍａｇｅｓ ｂｙ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｔａｐｐｉｎｇ ｏｒ ｃｏｎｔａｃｔ ｍｏｄｅ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈ Ｙ ｃｏｍＤａｒｅｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｗｉｔｈ ｅａｃｈ ｏｔｈｅｒ，ｌｅａｄｉｎｇ ｔｏ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｍａｓｔｅｒｉｎｇ ｏｆ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｍｏｄｅｒｎ ｓａｍｐｌｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ’ ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄ ｍｏｄｅｒｎ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｔｓ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ ａｒｒａｎｇｅｄ，ａｄ— ｖａｎｃｅｄ，ａｎｄ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｕｎｄｅｒｇｒａｄｕａｔｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ—ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ． Ｋｅｖ ｗｏｒｄｓ：ａｔｏｍ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ；ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍａｔｅｒｉａｌ；ｍｅｔａｌ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ；ＤＮＡ ［责任编辑：任德香］ （上接第１５页） ［５］Ｄｉｃｋｅｒｓｏｎ Ａ Ｋ，Ｓｈａｎｋｌｅｓ Ｐ Ｇ，Ｍａｄｈａｖａｎ Ｎ Ｍ，ｅｔ 书馆，１９８６：５６３—５６７． ａ１．Ｍｏｓｑｕｉｔｏｅｓ ｓｕｒｖｉｖｅ ｒａｉｎｄｒｏｐ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ ｂｙ ｖｉｒｔｕｅ ［７３ Ｅｄｗｉｎ Ｈ Ｈ．Ｏｎ ａ ｎｅｗ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔ ｏｎ ｅｌｅｃ— ｏｆ ｔｈｅｉｒ ｌｏｗ ｍａｓｓ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ ｔｒｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔｓ［Ｊ］．Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ， Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉ— １８７９，２（３）：２８７－２９２． ｃａ。２０１２，１０９（２５）：９８２２—９８２７． ［８３ 熊永红，张昆实，任忠明，等．大学物理实验（第一 ［６］ 威・弗・马吉．物理学原著选读［Ｍ］．北京：商务印 册）［Ｍ］．北京：科学出版社，２００７． Ｈａｐｐｙ ｌｅａｒｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｅａｃｈｉｎｇ Ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｂｙ Ｉｇ Ｎｏｂｅｌ Ｐｒｉｚｅ ａｎｄ Ｐｉｎｅａｐｐｌｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｗａｒｄ ＸＩＯＮＧ Ｙｏｎｇ—ｈｏｎｇ 一，ＬＩ Ｌｉ—ｊ ｕｎ ，ＹＡＮＧ Ｍｉｎｇ ，ＬＩ Ｃｈｕａｎ－ｇｕｏ ， ＤＩＮＧ Ｈａｏ２，ＬＩ Ｃｈａｎｇ—ｙｉｎｇｚ，ＴＡＯ Ｗｅｉ。，ＸＩＡＯ Ｙｕ—ｙｉｎｇ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｏｌｏｇ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｂａｓｉｃ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｗｅｎｈｕａ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ，ｆｉｅｌｄｓ，ａｎｄ ｓｅｔｔｉｎｇ ｏｆ Ｉｇ Ｎｏｂｅｌ Ｐｒｉｚｅ ａｎｄ Ｐｉｎｅａｐｐｌｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｗａｒｄ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｈａｔ Ａｎｄｒｅ Ｇｅｉｍ ｗｏｎ Ｉｇ Ｎｏｂｅｌ Ｐｒｉｚｅ ｂｙ ｓｔｕｄｉｎｇ ｆｌｙｉｎｇ ｆｒｏｇｓ ｂｙ ｍａｇｎｅｔ— ｉｃ ｌｅｖｉｔｒｏｎ ｗａｓ ｅｘｐａｔｉａｔｅｄ，ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎｓ ｗｈｙ ｍｏｓｑｕｉｔｏ ｗｏｕｌｄ ｎｏｔ ｂｅ ｋｉｌｌｅｄ ｂｙ ｒａｉｎ ｄｒｏｐｓ ａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｖ ｌｉｄｅ ｈｕ ｗｈｏ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｔｈｅ Ｐｉｎｅａｐｐｌｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｗａｒｄ ｗａｓ ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．Ｓｏｍｅ ｒｉｇｏｒｏｕｓ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｅｓｔｉｎｇ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｎｓｐｉｒｅ ｔｈｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ｃｕｒｉｏｓｉｔｙ ａｎｄ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ ａｂｉｌｉｔｙ， ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｇｏａｌ ｏｆ ｈａｐｐｙ ｌｅａｒｎｉｎｇ ａｎｄ ｔｅａｃｈｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｉｇ Ｎｏｂｅｌ Ｐｒｉｚｅ；Ｐｉｎｅａｐｐｌｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｗａｒｄ；ｐｈｙｓｉｃａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［责任编辑：尹冬梅］