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1原子力顯微鏡研究性實驗的主要內容
由于原子力顯微鏡的應用范圍比較廣泛，所以在實驗課中不可能涉及到所有的應用領域，可以針對本校的專業設置和原子力顯微鏡的應用情況來設置實驗內容，并且可以根據本校的經濟條件，現在原子力顯微鏡應用較多的專業和院系開設，逐步向更多的有關院系和專業的學生開設原子力顯微鏡的有關實驗課。我校是首先在物理和材料專業開設該課程，后逐漸增加到其他專業的學生，取得了比較好的效果。實驗的內容主要包括儀器的結構介紹、操作演示、軟件使用、實際操作、圖片處理幾項內容。學生自己準備樣品，這樣不同專業的學生都能通過原子力顯微鏡觀測到與自己專業相關的樣品，不僅可以熟悉原子力顯微鏡的操作，而且對本專業的學習也有極大的幫助。下面以分析半導體ZnO薄膜的形貌特性為例，對于原子力顯微鏡在大學物理實驗中的實驗內容設計作個簡要介紹。對于實驗所用的薄膜樣品，若是一個綜合性的創新實驗，可以讓學生自己制備薄膜(比如用溶膠-凝膠法等)，然后再用原子力顯微鏡等儀器分析薄膜的物理特性，中科大已經設置了這方面的創新性實驗包括從薄膜樣品的制備到光電磁性能分析，形成一個綜合性的實驗項目。若是一個普通物理實驗，教師需要提供薄膜樣品，最好是采用不同技術制備的多個樣品，這樣的話就可以進行對比研究。在這里使用的樣品是采用溶膠-凝膠法制備出來的ZnO納米薄膜。
1．1半導體薄膜表面形貌特征研究
實驗在AFM上對樣品表面進行了多處掃描，獲得樣品表面的一系列圖像。在介觀尺度下，半導體ZnO薄膜表面具有極為凹凸不平的特征，有很多形狀不一、大小較為均勻的洼坑和突起。該樣品的表面二維形貌圖，圖片的掃描范圍為3000×3000nm。顏色的深淺不同表明了半導體ZnO薄膜表面的粗糙不平的特點，樣品表面顏色深的位置代表凹坑深，顏色淺的位置表示該處表面突起。煤樣的三維表面形貌，從另一個角度反映了介觀尺度下薄膜表面的凹凸不同的形貌。
1．2半導體薄膜樣表面顆粒研究
后處理軟件對AFM形貌圖進行處理，選取高度閾值，并剔除10%的最大和最小顆粒，得到半導體ZnO薄膜的表面顆粒分析結果。比例圖代表各個面積尺度的顆粒百分比，每一條線段代表某個尺度(面積)顆粒的百分比。系統所識別到的所有顆粒狀況，黑色區域為表面凹陷部分，灰白相間部分為所識別到的顆粒。從顆粒分析得到的粒度分布?？傤w粒數為889，平均粒徑為40．1nm。其中近90%的顆粒粒徑小于56nm?？梢?，采用AFM掃描，獲得了該樣納米級的表面形貌特征。
1．3半導體薄膜樣表面粗糙度研究
表面粗糙度是表面結構的主要特征之一。表征表面粗糙度的參數有幅度參數(Amplitudeparameters)、混合參數(HybridParameters)和功能參數(FunctionParameters)。其中混合參數是影響表面摩擦性能的重要因素。功能參數是表征表面某些特殊的性能，如表示表面支承性能的表面支承指數Sbi等。該實驗側重于研究半導體ZnO薄膜表面形貌特性。幅度性能是表面形貌的主要特征之一，幅度參數大多與高度相關。幅度參數主要表征表面高度的三個方面的特性:(1)統計特性;(2)極值特性;(3)高度分布的形狀。。半導體ZnO薄膜表面形貌的均方根偏差Sq(統計幅度參數)的數值達8．26nm，說明在AFM掃描區域內，該樣表面粗糙度偏離參考基準的統計值。表面偏斜度Ssk=－0．149＜0，表明該樣表面的分布在基準面之上較為均勻。對于表征表面高度的峭度Sku=2．31＜3，說明該樣形貌高度分布分散，沒有集中在表面的中心部分。
1．4半導體薄膜樣表面的功率譜分析研究
AFM掃描獲得的半導體ZnO薄膜樣品信息，經后處理軟件處理，得到掃描曲線，再經過傅里葉轉換獲得頻譜和功率譜密度函數。不同的薄膜樣品得到的功率譜密度圖各異。表達了不同的頻率對應的功率譜密度值。結合分形理論，通過計算可得到該樣的分形維數D。分形維數是表征表面結構的特征參數。采用功率譜法計算分形維數，有助于進一步研究薄膜樣品表面的分形特征。
2結論
原子力顯微鏡作為一種非常精密的分析測試儀器，已廣泛地應用于材料、機械、生物、醫學、化工等領域的科研及生產實踐中。在大學物理實驗課程中開設與原子力顯微鏡有關的實驗內容，不僅可以有效促進大學物理實驗課程更好的適應社會需求，更有益于開拓學生的視野、增強學生的創新意識并提高學生的創新能力。通過將本文所闡述的課程內容和教學方法應用于實際教學中，可以為同類實驗課程的開設提供有益的參考。
作者：黃凱 單位：安徽建筑大學
