纳米级原子力显微镜diy图解

显微镜可让我们看到肉眼无法观察的结构，实在是太棒了！光学显微镜能看到微米等级（1/1，000毫米）结构，然而原子力显微镜更可让我们看到纳米（1/1，000，000毫米）结构。一般的原子力显微镜动辄数万至数十万美元，只有研究机构可以负担得起。我们希望透这次介绍，告诉大家如何利用身边的元器件，包括DVD Rom的激光头以及你手表里面哔哔叫的压电喇叭，来制作一套自己的纳米级原子力显微镜的的光机系统，材料价格不超过1000美元。传统原子力显微镜大多使用光杠杆原理，而教育型原子力显微镜使用像散式光路侦测探针位移，此教育型原子力显微镜由***中央研究院物理研究所胡恩德博士设计并制作。

第一步：材料与工具

组装原子力显微镜需要材料为：1.从DVD光驱上的激光头 2.压电喇叭 3.信号接头 4.精密螺丝 5.磁铁 6.电路板结构。 工具为：1.烙铁 2.焊锡 3.瞬间胶 4.AB胶 5.螺丝刀。耗材为：原子力显微镜探针（工作频率300k赫兹）。

第二步：组装原子力显微镜底座

这边由北京清华大学附属中学的国中学生来示范，如何自己动手组装原子力显微镜的光学机构系统。底座由4片电路板构成，组起来的结构件使用焊锡固定。

第三步：组装压电扫描器

扫描仪由三片电路板组成，焊接扫描仪结构后，并以AB胶将结构的四支脚固定在底座的四片压电喇叭上，并将第五片压电喇叭固定于扫描仪顶端，大部分的零件皆由焊锡固定

第四步：组装光路头

光路结构由五片电路板组成，首先将光路机构组装好，再将DVD激光头以瞬间胶固定于中央，并安装探针调整机构。之后将三个螺丝透過AB胶固定于光路机构。

第五步：安装压电扫描器接头

扫描仪需要三个接口分别接收X、Y、Z三个方向的控制信号。安装信号接头后，并将五个压电喇叭透过电线连接至接头。

第六步：组装被动式防震平台

最低限度的防震平台是保证显微镜量测精度的关键，好消息是这防震平台的材料随手可得：1. 自行车内胎（直径约10-18英寸） 2. 一块石头、铁块、或其他外形呈长方体的重物（重约3-10千克即可，长宽分别约20厘米和50厘米，厚度不限） 3. 为内胎充气的气泵。将一条自行车内胎充气，接着将石头放置于内胎上，此即为一简易的被动式防震平台。

第七步：样品准备

低价原子力显微镜跟一般原子力显微镜一样，需要稍微准备一下样品。我们这边使用DVD与Blu-ray光盘（将保护层撕除）作为原子力显微镜系统测试样品，因为DVD数据轨道间距为740納米，Blu-ray光盘数据轨道间距为320納米。此外清华大学附属中学的国中生也很好奇想看看橡皮擦的納米结构。仅需将样品裁切至大约1公分平方并在背面黏贴美工刀片，即可透过磁力吸在扫描仪上进行扫描。

第八步：测试原子力显微镜

首先学生用自己组装的原子力显微镜装上探针扫描空白DVD光盘数据轨（结构间距740納米），由影像可以得知，此原子力显微镜的扫描仪运作范围是X与Y方向各15微米。学生并将AFM量测到结果（右图）跟USB光学显微镜所得到的影像（左图）进行比对，光学显微镜看不到的数据轨納米结构可由原子力显微镜轻易地得到。

第九步：量测橡皮擦的表面

接着学生们对于日常使用的橡皮擦表面结构非常有兴趣，首先使用USB光学显微镜观察（左图），看到的结构不是很明显，而原子力显微镜可以清楚看到橡皮擦的表面结构凹凸不平非常粗糙（右图）。橡皮擦的量测范围是5x5微米。

第十步：观察北京空气悬浮粒子

学生想挑战结构更小的空白Blu-ray光盘片数据轨，其间距为320納米。由量测结果可看到密度更高的Blu-ray光盘数据轨，扫描范围为10x10微米。此外，我们可在数据轨上可以看到数个尺寸约1微米左右的颗粒，此即为北京漂浮在空气中的PM 2.5颗粒。