研究型教学实验设计论文

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1原子力显微镜研究性实验的主要内容

由于原子力显微镜的应用范围比较广泛，所以在实验课中不可能涉及到所有的应用领域，可以针对本校的专业设置和原子力显微镜的应用情况来设置实验内容，并且可以根据本校的经济条件，现在原子力显微镜应用较多的专业和院系开设，逐步向更多的有关院系和专业的学生开设原子力显微镜的有关实验课。我校是首先在物理和材料专业开设该课程，后逐渐增加到其他专业的学生，取得了比较好的效果。实验的内容主要包括仪器的结构介绍、操作演示、软件使用、实际操作、图片处理几项内容。学生自己准备样品，这样不同专业的学生都能通过原子力显微镜观测到与自己专业相关的样品，不仅可以熟悉原子力显微镜的操作，而且对本专业的学习也有极大的帮助。下面以分析半导体ZnO薄膜的形貌特性为例，对于原子力显微镜在大学物理实验中的实验内容设计作个简要介绍。对于实验所用的薄膜样品，若是一个综合性的创新实验，可以让学生自己制备薄膜(比如用溶胶-凝胶法等)，然后再用原子力显微镜等仪器分析薄膜的物理特性，中科大已经设置了这方面的创新性实验包括从薄膜样品的制备到光电磁性能分析，形成一个综合性的实验项目。若是一个普通物理实验，教师需要提供薄膜样品，最好是采用不同技术制备的多个样品，这样的话就可以进行对比研究。在这里使用的样品是采用溶胶-凝胶法制备出来的ZnO纳米薄膜。

1．1半导体薄膜表面形貌特征研究

实验在AFM上对样品表面进行了多处扫描，获得样品表面的一系列图像。在介观尺度下，半导体ZnO薄膜表面具有极为凹凸不平的特征，有很多形状不一、大小较为均匀的洼坑和突起。该样品的表面二维形貌图，图片的扫描范围为3000×3000nm。颜色的深浅不同表明了半导体ZnO薄膜表面的粗糙不平的特点，样品表面颜色深的位置代表凹坑深，颜色浅的位置表示该处表面突起。煤样的三维表面形貌，从另一个角度反映了介观尺度下薄膜表面的凹凸不同的形貌。

1．2半导体薄膜样表面颗粒研究

后处理软件对AFM形貌图进行处理，选取高度阈值，并剔除10%的最大和最小颗粒，得到半导体ZnO薄膜的表面颗粒分析结果。比例图代表各个面积尺度的颗粒百分比，每一条线段代表某个尺度(面积)颗粒的百分比。系统所识别到的所有颗粒状况，黑色区域为表面凹陷部分，灰白相间部分为所识别到的颗粒。从颗粒分析得到的粒度分布。总颗粒数为889，平均粒径为40．1nm。其中近90%的颗粒粒径小于56nm。可见，采用AFM扫描，获得了该样纳米级的表面形貌特征。

1．3半导体薄膜样表面粗糙度研究

表面粗糙度是表面结构的主要特征之一。表征表面粗糙度的参数有幅度参数(Amplitudeparameters)、混合参数(HybridParameters)和功能参数(FunctionParameters)。其中混合参数是影响表面摩擦性能的重要因素。功能参数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数Sbi等。该实验侧重于研究半导体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，幅度参数大多与高度相关。幅度参数主要表征表面高度的三个方面的特性:(1)统计特性;(2)极值特性;(3)高度分布的形状。。半导体ZnO薄膜表面形貌的均方根偏差Sq(统计幅度参数)的数值达8．26nm，说明在AFM扫描区域内，该样表面粗糙度偏离参考基准的统计值。表面偏斜度Ssk=－0．149＜0，表明该样表面的分布在基准面之上较为均匀。对于表征表面高度的峭度Sku=2．31＜3，说明该样形貌高度分布分散，没有集中在表面的中心部分。

1．4半导体薄膜样表面的功率谱分析研究

AFM扫描获得的半导体ZnO薄膜样品信息，经后处理软件处理，得到扫描曲线，再经过傅里叶转换获得频谱和功率谱密度函数。不同的薄膜样品得到的功率谱密度图各异。表达了不同的频率对应的功率谱密度值。结合分形理论，通过计算可得到该样的分形维数D。分形维数是表征表面结构的特征参数。采用功率谱法计算分形维数，有助于进一步研究薄膜样品表面的分形特征。

2结论

原子力显微镜作为一种非常精密的分析测试仪器，已广泛地应用于材料、机械、生物、医学、化工等领域的科研及生产实践中。在大学物理实验课程中开设与原子力显微镜有关的实验内容，不仅可以有效促进大学物理实验课程更好的适应社会需求，更有益于开拓学生的视野、增强学生的创新意识并提高学生的创新能力。通过将本文所阐述的课程内容和教学方法应用于实际教学中，可以为同类实验课程的开设提供有益的参考。

作者：黄凯 单位：安徽建筑大学