納米級(jí)原子力顯微鏡diy圖解

顯微鏡可讓我們看到肉眼無法觀察的結(jié)構(gòu)，實(shí)在是太棒了！光學(xué)顯微鏡能看到微米等級(jí)（1/1，000毫米）結(jié)構(gòu)，然而原子力顯微鏡更可讓我們看到納米（1/1，000，000毫米）結(jié)構(gòu)。一般的原子力顯微鏡動(dòng)輒數(shù)萬至數(shù)十萬美元，只有研究機(jī)構(gòu)可以負(fù)擔(dān)得起。我們希望透這次介紹，告訴大家如何利用身邊的元器件，包括DVD Rom的激光頭以及你手表里面嗶嗶叫的壓電喇叭，來制作一套自己的納米級(jí)原子力顯微鏡的的光機(jī)系統(tǒng)，材料價(jià)格不超過1000美元。傳統(tǒng)原子力顯微鏡大多使用光杠桿原理，而教育型原子力顯微鏡使用像散式光路偵測(cè)探針位移，此教育型原子力顯微鏡由***中央研究院物理研究所胡恩德博士設(shè)計(jì)并制作。

第一步：材料與工具

組裝原子力顯微鏡需要材料為：1.從DVD光驅(qū)上的激光頭 2.壓電喇叭 3.信號(hào)接頭 4.精密螺絲 5.磁鐵 6.電路板結(jié)構(gòu)。 工具為：1.烙鐵 2.焊錫 3.瞬間膠 4.AB膠 5.螺絲刀。耗材為：原子力顯微鏡探針（工作頻率300k赫茲）。

第二步：組裝原子力顯微鏡底座

這邊由北京清華大學(xué)附屬中學(xué)的國中學(xué)生來示范，如何自己動(dòng)手組裝原子力顯微鏡的光學(xué)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。底座由4片電路板構(gòu)成，組起來的結(jié)構(gòu)件使用焊錫固定。

第三步：組裝壓電掃描器

掃描儀由三片電路板組成，焊接掃描儀結(jié)構(gòu)后，并以AB膠將結(jié)構(gòu)的四支腳固定在底座的四片壓電喇叭上，并將第五片壓電喇叭固定于掃描儀頂端，大部分的零件皆由焊錫固定

第四步：組裝光路頭

光路結(jié)構(gòu)由五片電路板組成，首先將光路機(jī)構(gòu)組裝好，再將DVD激光頭以瞬間膠固定于中央，并安裝探針調(diào)整機(jī)構(gòu)。之后將三個(gè)螺絲透過AB膠固定于光路機(jī)構(gòu)。

第五步：安裝壓電掃描器接頭

掃描儀需要三個(gè)接口分別接收X、Y、Z三個(gè)方向的控制信號(hào)。安裝信號(hào)接頭后，并將五個(gè)壓電喇叭透過電線連接至接頭。

第六步：組裝被動(dòng)式防震平臺(tái)

最低限度的防震平臺(tái)是保證顯微鏡量測(cè)精度的關(guān)鍵，好消息是這防震平臺(tái)的材料隨手可得：1. 自行車內(nèi)胎（直徑約10-18英寸） 2. 一塊石頭、鐵塊、或其他外形呈長方體的重物（重約3-10千克即可，長寬分別約20厘米和50厘米，厚度不限） 3. 為內(nèi)胎充氣的氣泵。將一條自行車內(nèi)胎充氣，接著將石頭放置于內(nèi)胎上，此即為一簡(jiǎn)易的被動(dòng)式防震平臺(tái)。

第七步：樣品準(zhǔn)備

低價(jià)原子力顯微鏡跟一般原子力顯微鏡一樣，需要稍微準(zhǔn)備一下樣品。我們這邊使用DVD與Blu-ray光盤（將保護(hù)層撕除）作為原子力顯微鏡系統(tǒng)測(cè)試樣品，因?yàn)镈VD數(shù)據(jù)軌道間距為740納米，Blu-ray光盤數(shù)據(jù)軌道間距為320納米。此外清華大學(xué)附屬中學(xué)的國中生也很好奇想看看橡皮擦的納米結(jié)構(gòu)。僅需將樣品裁切至大約1公分平方并在背面黏貼美工刀片，即可透過磁力吸在掃描儀上進(jìn)行掃描。

第八步：測(cè)試原子力顯微鏡

首先學(xué)生用自己組裝的原子力顯微鏡裝上探針掃描空白DVD光盤數(shù)據(jù)軌（結(jié)構(gòu)間距740納米），由影像可以得知，此原子力顯微鏡的掃描儀運(yùn)作范圍是X與Y方向各15微米。學(xué)生并將AFM量測(cè)到結(jié)果（右圖）跟USB光學(xué)顯微鏡所得到的影像（左圖）進(jìn)行比對(duì)，光學(xué)顯微鏡看不到的數(shù)據(jù)軌納米結(jié)構(gòu)可由原子力顯微鏡輕易地得到。

第九步：量測(cè)橡皮擦的表面

接著學(xué)生們對(duì)于日常使用的橡皮擦表面結(jié)構(gòu)非常有興趣，首先使用USB光學(xué)顯微鏡觀察（左圖），看到的結(jié)構(gòu)不是很明顯，而原子力顯微鏡可以清楚看到橡皮擦的表面結(jié)構(gòu)凹凸不平非常粗糙（右圖）。橡皮擦的量測(cè)范圍是5x5微米。

第十步：觀察北京空氣懸浮粒子

學(xué)生想挑戰(zhàn)結(jié)構(gòu)更小的空白Blu-ray光盤片數(shù)據(jù)軌，其間距為320納米。由量測(cè)結(jié)果可看到密度更高的Blu-ray光盤數(shù)據(jù)軌，掃描范圍為10x10微米。此外，我們可在數(shù)據(jù)軌上可以看到數(shù)個(gè)尺寸約1微米左右的顆粒，此即為北京漂浮在空氣中的PM 2.5顆粒。