原子力显微镜应用于纳米测量技术教学研究
[中图分类号]TN [文献识别码]A
纳米技术作为当前发展最迅速、研究最广泛、投入最多的科学技术之一，被誉为21世纪的科学，并且和生物工程一起被认为是未来科技的两大重要前沿。从纳米技术的发展来看，纳米测量技术的地位和作用是不容忽视的。纳米加工和制造离不开纳米测量，精密计量已不能适应纳米技术发展的要求，而且成为了纳米技术发展的瓶颈。因此，纳米测量技术和测量装置，不仅是21世纪纳米技术实用过程中必须关注的焦点，而且也是21世纪计量测试领域研究的重中之重。在纳米技术研究中，原子力显微镜（AFM）一直发挥着重要作用。
对于纳米技术的基础教学而言， AFM无疑是学生们感知纳米量级的最直接的方式之一。因此，本论文针对学生特点及教学要求，将AFM工作原理及实际扫描后得到的图片引入到课堂中进行辅助教学，取得了一定的效果。
一、AFM引入基础教学
纳米级位移测量技术至今尚未有明确的定义。通常认为测量精度或分辨率在0.5～100纳米之间的位移测量技术，统称为纳米级位移测量技术。纳米测量技术的内涵涉及纳米尺度的评价、成份、微细结构和物质特性的纳米尺度的测量，它是在纳米尺度上研究材料和器件的结构与性能、发现新现象、发展新方法、创造新技术的基础。纳米测量所涉及的两个重要领域就是纳米长度测量和纳米级的表面轮廓测量[1]。
原子力显微镜（atomic force microscope，简称AFM）是利用微悬臂感受和放大悬臂上探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率[2]。
原子力显微镜研究对象可以是有机固体、聚合物以及生物大分子等，其可以在空气或者液体下对样品直接进行成像，分辨率很高。因此，AFM被广泛应用于纳米长度测量和纳米级的表面轮廓测量中。
在教学中，单纯依靠数学推演来讲解，并不能收到很好的效果。例如学生们单从概念上很难想象1纳米，1微米到底有多大，被操作材料表面形貌到底是什么样子等。因此，通过实验教学中，使用AFM来检测不同量级的研究对象，可以加深学生们的理解，从而增强学生的实际应用能力。
二、AFM教学实例
针对纳米测量所涉及的两个重要领域：纳米长度测量和纳米级的表面轮廓测量。列举了AFM扫描的利用多光束激光干涉光刻制备单晶硅形貌图。
图2，图3和图4为AFM扫描的二维图像，观测者可以直接看到被测样品的表面形貌，不仅如此，AFM二维图像还可以形成相应的三维像，获得样品表面结构的深度，大小以及长度等重要信息参数，如图5所示。
通过原子力显微镜对样品形貌的扫描，可以让学生更为直观地了解AFM以及纳米测量的相关概念及原理。同时，清晰的扫描图像可以进一步促进学生对教学内容的理解和认识。
三、结论
通过将原子力显微镜实验课程引入纳米测量技术教学中，可以将抽象、难以理解的问题具体化、形象化，学生可以在使用或者观看AFM的过程中对纳米测量技术课程中基本概念的理解进一步加深，有利于培养学生的学习兴趣、建模能力和实际应用能力。
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