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虚实一体的原子力显微镜(AFM)实验系统
发布日期:2019-04-01  来源:实验技术与管理   浏览次数:155
核心提示:摘要:基于原子力显微镜(AFM)教学知识点和半实物虚拟仿真理念,研究开发了虚实一体的原子力显微镜实验系统,由AFM原理演示及模拟扫描软件系统、AFM
 摘 要:基于原子力显微镜(AFM)教学知识点和半实物虚拟仿真理念,研究开发了虚实一体的原子力显微镜实验系统,由AFM原理演示及模拟扫描软件系统、AFM模拟演示探头系统和AFM实验仪器装置等部分组成。开展了AFM实验背景的介绍、相关原理的仿真演示、AFM操作的模拟训练、AFM模拟扫描成像实验数据的测量及相关的实验研究。实现了对学生进行创新思维、操作技能、知识整合等各种层次的训练,并建立了“回顾历史、触摸现在、遇见未来”的四维空间物理实验教学模式,具有低成本、多功能和高效率等特点。该虚实一体的AFM实验系统符合教育部“关于开展新工科研究与实践的通知”对人才培养的要求,以及教育部关于实验室建设“能实不虚,虚实结合”的理念,已在我校得到很好的推广与应用。
关键词:原子力显微镜;模拟演示探头系统;模拟扫描;半实物虚拟仿真
原子力显微镜(AFM)是利用AFM微探针扫描和观察待测样品表面微观形貌的实验测试仪器。由于AFM既具有很高的扫描成像分辨率,又不受微纳米样品的导电性和物质态的限制,因此可广泛应用于物理学、化学、微电子学、光电科学、生物医学、材料科学和微纳米加工等领域,极大地推动了纳米科学的发展[1-2]。同时,AFM是集物理学、光学、电子学与计算机于一体的科学仪器,其中物理原理丰富、技术系统新颖、实验方法巧妙,现已成为大学物理实验中不可或缺的内容之一。在AFM系统中,微探针是其核心部件,由针尖和对原子力十分敏感的微悬臂两部分组成。当AFM微探针的针尖靠近样品表面时,探针尖端原子与样品表面原子之间将产生相互作用的原子力,并推动微悬臂使之发生形变弯曲;当微探针与样品在横向相对扫描时,通过检测微悬臂的形变量并将其转换成可被采集的电信号,即可获得样品表面的原子排布及纳米结构等信息[3]。然而,物理实验是大学生进校后的第一门实验课程,面向的是大一大二的学生,他们的实验技能还没有经过太多的训练。在AFM实验操作过程中,由于学生操作不当而造成AFM探针乃至仪器损坏的现象时有发生,使AFM实验成为高成本、高消耗的实验。同时,在目前的高校物理实验教学中,对于学生物理思维、实验方法等的训练未得到充分重视,学生的实验能力还存在较大的提高空间,现行的实验训练在课程设计、实验仪器系统及教学实践的某些环节存在着亟需改进和优化之处[4]。
为此,本文结合“教育部办公厅关于开展2015年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知”的精神[5],以及物理学史在工科大学物理实验中的教育功能[6-13],探索新的实验教学模式,针对学生创新思维培养不够、实验消耗大、实验成本高等情况,提供一种可靠、安全、经济和高效的虚实一体的原子力显微镜实验项目。该实验项目是基于半实物半虚拟仿真理念建立的,由AFM原理演示及模拟扫描软件系统、AFM模拟演示探头系统和AFM实验仪器装置等部分组成。利用AFM原理演示及模拟扫描软件系统,实现AFM原理的模拟演示和AFM在多参数条件下的模拟扫描;利用AFM模拟演示探头系统,实现AFM技术方法的模拟演示和AFM操作的模拟训练;利用AFM实验仪器装置,实现实际的微纳米样品的扫描成像实验及相关数据的测量与研究。基于虚实一体的原子力显微镜实验系统及其实验过程,低成本、多功能、高效率地对学生进行创新思维、操作技能、知识整合等各种层次的训练。
 
 
2019-05-07
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原子力显微镜相关研究

原子力显微镜(AFM)是利用AFM微探针扫描和观察待测样品表面微观形貌的实验测试仪器。由于AFM既具有很高的扫描成像分辨率,又不受微纳米样品的导电性

 
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