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實(shí)驗(yàn)原理 AFM是SPM家族中應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛的表面觀察與研究工具之一。其工作原理基于原子之間的相互作用力。當(dāng)一根十分尖銳的微探針在縱向充分逼近樣品表面至數(shù)納米甚至更小間距時(shí)，微探針尖端的原子和樣品表面的原子之間將產(chǎn)生相互作用的原子力。原子力的大小與間距之間存在一定的曲線關(guān)系。在間距較大的起始階段，原子力表現(xiàn)為引力，隨著間距的進(jìn)一步減小，由于價(jià)電子云的相互重疊和兩個(gè)原子核的電荷間的相互作用，原子力又轉(zhuǎn)而表現(xiàn)為排斥力。這種排斥力隨著間距的縮短而急劇增大。AFM正是利用原子力與間距之間的這些關(guān)系，通過檢測(cè)原子間的作用力而獲得樣品表面的微觀形貌的。   儀器概述 AFM采用對(duì)微弱力極其敏感的微懸臂作為力傳感器──微探針。微懸臂一端固定，另一端置有一與微懸臂平面垂直的金字塔狀微針尖。當(dāng)針尖與樣品之間的距離逼近到一定程度時(shí)，兩者間將產(chǎn)生相互作用的原子力，其中切向力（摩擦力）Ft使微懸臂扭曲，法向（縱向）力Fn將推動(dòng)微懸臂偏轉(zhuǎn)。我們所關(guān)心的主要是縱向力Fn，它與針尖──樣品間距成一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即與樣品表面的起伏具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。微懸臂的偏轉(zhuǎn)量十分微小，無法進(jìn)行直接檢測(cè)，采用光學(xué)方法將偏轉(zhuǎn)量放大，可推知微懸臂偏轉(zhuǎn)量（即原子力）的大小，最終獲得樣品表面的微觀形貌。   儀器特點(diǎn) 特有的臥式探頭 臥式AFM探頭設(shè)計(jì)，使原子力作用方向與重力方向垂直而互不干擾；降低了探頭的整體重心；克服了原有粗調(diào)與微調(diào)逼近機(jī)構(gòu)的垂直蠕動(dòng)；具有獨(dú)特的臥式可視化光路。探頭及儀器性能更加穩(wěn)定和優(yōu)越。   穩(wěn)定的三軸壓電掃描器 采用互相正交的三軸壓電陶瓷掃描控制器，X、Y、Z三軸壓電陶瓷之間互不耦合，可保證掃描圖像不因耦合而失真；掃描器具有更好的掃描線性和獨(dú)立性、更高的強(qiáng)度和剛度，兼具更強(qiáng)的掃描驅(qū)動(dòng)力，能同時(shí)適用于較小與較大、較輕與較重樣品的掃描成像。   優(yōu)化的檢測(cè)與控制系統(tǒng) 采用優(yōu)化的微納米掃描與反饋控制電路系統(tǒng)，配以多路高精度A/D&D/A控制接口，可獲得更高的掃描分辨率、更好的重復(fù)性和更佳的圖像質(zhì)量。   完善的軟件界面與功能 功能強(qiáng)大、界面友好，可適用于Windows XP/Win7/Win8/Win10等操作系統(tǒng)。一般操作者均可輕松而熟練地掌握，只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)，即可完成從圖像掃描到圖像處理及數(shù)據(jù)信息計(jì)算的全部操作?？捎檬髽?biāo)任意選擇局部掃描區(qū)域，實(shí)現(xiàn)圖像平移、定位和縮放；可設(shè)定掃描次數(shù)并自動(dòng)控制掃描停止；具有實(shí)現(xiàn)X、Y方向的面掃描和線掃描的功能；可獲得樣品表面的納米級(jí)三維形貌結(jié)構(gòu)和截面線；高質(zhì)量的彩色/黑白平面圖像顯示與三維立體圖像顯示；具有圖像的二維和三維納米標(biāo)尺標(biāo)注功能及粒徑測(cè)量功能；具備納米級(jí)表面微觀粗糙度的統(tǒng)計(jì)及計(jì)算功能；可精確測(cè)定樣品表面的微納米級(jí)臺(tái)階高度和深度；完善的圖像處理功能，包括裁剪、粘貼、旋轉(zhuǎn)、對(duì)比調(diào)節(jié)、亮度調(diào)節(jié)、顏色調(diào)整、背景色調(diào)整、圖像平滑、濾波等。   簡(jiǎn)單便捷的儀器操作 AFM的操作十分簡(jiǎn)單和便捷，一般操作人員即可完成，無需專人操作和維護(hù)。安裝探針、安裝樣品、粗調(diào)和微調(diào)進(jìn)樣、圖像掃描、圖像存儲(chǔ)等操作，均可在1分鐘內(nèi)完成。特別適用于科學(xué)研究、教學(xué)實(shí)驗(yàn)及產(chǎn)品檢測(cè)。   高穩(wěn)定性與抗干擾能力 AFM既可在良好的實(shí)驗(yàn)條件下完美工作，也可在有一般實(shí)驗(yàn)室、普通桌面、有輕微振動(dòng)、有環(huán)境干擾、有光照等條件下正常運(yùn)作，快速掃描觀察各種微納米樣品，獲得理想的圖像和微納米結(jié)構(gòu)信息。具備更好的穩(wěn)定性和抗震性，更強(qiáng)的抗（光、電、磁等）干擾能力，更快的掃描速度（最快1幅圖像/1~6秒，作為對(duì)比，進(jìn)口儀器的掃描速率一般為1幅圖像/10~20分鐘甚至更慢）。   高適用性廣泛應(yīng)用領(lǐng)域 可同時(shí)適用于科學(xué)研究、本科生和研究生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)及納米技術(shù)產(chǎn)品的檢測(cè)，廣泛適用于各種金屬/非金屬、導(dǎo)體/非導(dǎo)體、磁性/非磁性材料樣品的掃描檢測(cè)。對(duì)被測(cè)材料樣品無特殊要求，免去繁瑣的樣品制備過程，可直接掃描獲得微納米結(jié)構(gòu)信息。   實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 部分掃描測(cè)試樣品的AFM圖像   部件列表 描述 數(shù)量 原子力顯微鏡探頭 1 控制機(jī)箱 1 直流高壓電源 1 A/D&D/A控制接口卡 1 AFM微探針 15組60 tips USB光學(xué)顯微鏡 1 一體機(jī), 含AFM掃描控制軟件 1 樣品 5 剪刀、鑷子、啟子、放大鏡等工具 1

儀器特點(diǎn)：1、出色的全反射光學(xué)系統(tǒng)，保證儀器有優(yōu)秀的信噪比。2、全面安全的智能氣體控制模塊。3、出色的全波段氘燈背景校正技術(shù)和高性能自吸雙背景校正。4、全自動(dòng)的儀器控制，光源支持高性能元素?zé)簦绘I快速完成。5、先進(jìn)的燈位八燈架360度旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)。6、設(shè)計(jì)新穎的原子化器和智能升降。7、MS Window系統(tǒng)下簡(jiǎn)潔、專業(yè)、自動(dòng)、完全操作的RG-WinAAS工作站軟件。

原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)，是一種可用來研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。它通過檢測(cè)待測(cè)樣品表面和一個(gè)微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。將一對(duì)微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時(shí)它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。掃描樣品時(shí)，利用傳感器檢測(cè)這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級(jí)分辨率獲得表面形貌結(jié)構(gòu)信息及表面粗糙度信息。 原子力顯微鏡主要由帶針尖的微懸臂，微懸臂運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置，監(jiān)控其運(yùn)動(dòng)的反饋回路，使樣品進(jìn)行掃描的壓電陶瓷掃描器件，計(jì)算機(jī)控制的圖像采集、顯示及處理系統(tǒng)組成。微懸臂運(yùn)動(dòng)可用如隧道電流檢測(cè)等電學(xué)方法或光束偏轉(zhuǎn)法、干涉法等光學(xué)方法檢測(cè)，當(dāng)針尖與樣品充分接近相互之間存在短程相互斥力時(shí)，檢測(cè)該斥力可獲得表面原子級(jí)分辨圖像，一般情況下分辨率也在納米級(jí)水平。AFM 測(cè)量對(duì)樣品無特殊要求，可測(cè)量固體表面、吸附體系等。

項(xiàng)目簡(jiǎn)介 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)，是一種可用來研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。它通過檢測(cè)待測(cè)樣品表面和一個(gè)微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。將一對(duì)微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時(shí)它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。掃描樣品時(shí)，利用傳感器檢測(cè)這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級(jí)分辨率獲得表面形貌結(jié)構(gòu)信息及表面粗糙度信息。原子力顯微鏡主要由帶針尖的微懸臂，微懸臂運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置，監(jiān)控其運(yùn)動(dòng)的反饋回路，使樣品進(jìn)行掃描的壓電陶瓷掃描器件，計(jì)算機(jī)控制的圖像采集、顯示及處理系統(tǒng)組成。微懸臂運(yùn)動(dòng)可用如隧道電流檢測(cè)等電學(xué)方法或光束偏轉(zhuǎn)法、干涉法等光學(xué)方法檢測(cè)，當(dāng)針尖與樣品充分接近相互之間存在短程相互斥力時(shí)，檢測(cè)該斥力可獲得表面原子級(jí)分辨圖像，一般情況下分辨率也在納米級(jí)水平。AFM 測(cè)量對(duì)樣品無特殊要求，可測(cè)量固體表面、吸附體系等。a 傳統(tǒng)的商業(yè)CAFM 針尖圖  b 覆蓋有石墨烯層的CAFM 針尖應(yīng)用范圍原子力顯微鏡(AFM) 在許多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域中得到廣泛使用，是超微觀察工具，特別是對(duì)于不具有導(dǎo)電性的生物樣品和有機(jī)材料等，AFM 同樣可以提供較高分辨率的表面形貌圖像。同時(shí)，AFM 還具有操縱和改造原子、分子世界的手段。原子力顯微鏡為了避免加寬效應(yīng)，一般通過電子束加工針尖使其曲率半徑達(dá)到幾個(gè)納米，來提高圖像的分辨率和準(zhǔn)確度。但仍然存在著一些局限性，例如：針尖性質(zhì)的變化很大，獲得高分辨率的圖像變得很難。另外，針尖掃描時(shí)的磨損對(duì)分辨率也有影響。AFM 能獲得原子分辨率，主要是因?yàn)樵谄溽樇獾谋砻娲嬖谥蛹?jí)的突起，構(gòu)成了與樣品的實(shí)際接觸。但是這些突起的尺寸形狀和化學(xué)組成是未知的，而且在實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常發(fā)生改變，因此獲得可信賴的針尖是成像過程中獲得高分辨率的關(guān)鍵。不同的針尖適用于AFM 不同的應(yīng)用領(lǐng)域。導(dǎo)電原子力顯微鏡（CAFM）采用固體金屬作AFM 的針尖，對(duì)材料進(jìn)行納米尺度的電學(xué)表征依然存在著同樣的困擾。 項(xiàng)目階段北京大學(xué)工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)利用單層石墨烯包覆CAFM 金屬針尖，發(fā)現(xiàn)石墨烯包覆的針尖保留了包覆前針尖的形狀，并且包覆的針尖能承受非常高的電流和摩擦力。新型針尖具有穩(wěn)定、耐磨、壽命長(zhǎng)、圖像失真度低等優(yōu)點(diǎn)，很好的解決了現(xiàn)有AFM 針尖中存在的問題，提高了AFM 的儀器性能。知識(shí)產(chǎn)權(quán)該項(xiàng)研究已經(jīng)申請(qǐng)了歐洲專利，納米技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域的諸多公司表現(xiàn)出了對(duì)該項(xiàng)研究成果的強(qiáng)烈興趣。合作方式 技術(shù)轉(zhuǎn)讓、合作開發(fā)、技術(shù)入股。

利用等強(qiáng)度的偏振正交的雙色飛秒光場(chǎng)（800nm + 400nm），深入研究遂穿電子干涉的干涉動(dòng)力學(xué)，提出了利用新型的“時(shí)空電子干涉儀”，探測(cè)電子在遂穿過程中獲得勢(shì)壘下相位，揭示電子隧穿的動(dòng)力學(xué)信息。該工作利用先進(jìn)的冷靶反沖離子電子動(dòng)量成像譜儀（所謂COLTRIMS），清晰地測(cè)量了正交雙色光場(chǎng)下的光子周期內(nèi)干涉圖案。通過與理論模擬的對(duì)比 [強(qiáng)場(chǎng)近似（SFA）,庫(kù)侖修正的強(qiáng)場(chǎng)近似(CCSFA)和數(shù)值求解含時(shí)薛定諤方程（TDSE）]，揭示出了光電子勢(shì)壘下相位的對(duì)干涉圖案的貢獻(xiàn)。研究結(jié)果表明勢(shì)壘下相位蘊(yùn)藏著的電子隧穿動(dòng)力學(xué)信息，對(duì)光電子干涉和光電子全息起著不可或缺的作用。

研究團(tuán)隊(duì)利用一團(tuán)冷原子云在量子界面中演示了厄米性可調(diào)的動(dòng)態(tài)分束器的干涉，在原子系綜中實(shí)現(xiàn)了行進(jìn)中的光波與定域的原子自旋波之間的直接干涉，構(gòu)建了一種新的物理模型。該物理模型同時(shí)適用于所有類似結(jié)構(gòu)的介質(zhì)和光界面，為非厄米量子物理研究提供了一個(gè)新的平臺(tái)。?

石墨烯中電子除了自旋這個(gè)內(nèi)秉自由度，還有子格贗自旋和谷贗自旋自由度。石墨烯中電子的多自由度給石墨烯帶來了很多新奇的物理性質(zhì)。單原子缺陷是材料體系中最簡(jiǎn)單的缺陷形式，可以作為一種模型體系來幫助了解缺陷對(duì)材料性質(zhì)的影響和調(diào)控。物理學(xué)系何林教授課題組長(zhǎng)期致力于研究石墨烯中的單原子缺陷，發(fā)現(xiàn)缺陷可對(duì)石墨烯中自旋、子格贗自旋和谷贗自旋相關(guān)的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生深刻影響。例如，他們利用掃描隧道顯微鏡（STM）首次證實(shí)石墨烯中單原子空位缺陷存在局域自旋磁矩，并在原子尺度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)其自旋磁矩調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了三種自旋量子態(tài)；觀測(cè)到石墨烯中單原子缺陷引入的對(duì)稱性破缺態(tài)，并系統(tǒng)地測(cè)量了缺陷附近谷極化和谷依賴的自旋極化在實(shí)空間的分布情況。 石墨烯中電子的子格贗自旋來自于其六角晶格結(jié)構(gòu)，有A和B兩套子格，因此波函數(shù)數(shù)學(xué)形式上類似于自旋。對(duì)于電子自旋有很多有意思的可觀測(cè)物理現(xiàn)象，那么對(duì)應(yīng)石墨烯中的子格贗自旋是否有可觀測(cè)的物理現(xiàn)象呢？帶著這一問題，何林教授課題組開展了深入研究。他們發(fā)現(xiàn)石墨烯中的單原子缺陷可以使準(zhǔn)粒子在石墨烯手性不同的兩個(gè)谷之間發(fā)生彈性散射，并伴隨著子格贗自旋的旋轉(zhuǎn)，在缺陷附近產(chǎn)生一個(gè)原子尺度的子格贗自旋渦旋，而贗自旋在渦旋（單原子缺陷）的繞數(shù)直接反映了體系的Berry相位（圖1）。通常來說，貝利相位的測(cè)量需要借助于外加磁場(chǎng)，因?yàn)榇艌?chǎng)可以驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)粒子沿閉合的軌跡絕熱運(yùn)動(dòng)，所以這一的結(jié)果提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法測(cè)量不同層石墨烯Berry相位的方法。何林教授課題組利用STM測(cè)量單原子缺陷引起的谷間散射形成的電荷密度波振蕩，證明電荷密度波振蕩在實(shí)空間中增加的額外波前條紋數(shù)直接反映了子格贗自旋在渦旋的繞數(shù)，從而可直接測(cè)量不同層石墨烯的Berry相位。最近的工作中，他們對(duì)雙層石墨烯進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并將相關(guān)結(jié)果推廣到多層石墨烯體系。進(jìn)一步他們還研究了相同和相反繞數(shù)的子格贗自旋渦旋的量子干涉。上述結(jié)果直接證明了子格贗自旋有很多豐富有趣的物理現(xiàn)象亟待深入研究，也為子格贗自旋物理提供了全新的研究思路。

石墨烯中電子除了自旋這個(gè)內(nèi)秉自由度，還有子格贗自旋和谷贗自旋自由度。石墨烯中電子的多自由度給石墨烯帶來了很多新奇的物理性質(zhì)。單原子缺陷是材料體系中最簡(jiǎn)單的缺陷形式，可以作為一種模型體系來幫助了解缺陷對(duì)材料性質(zhì)的影響和調(diào)控。物理學(xué)系何林教授課題組長(zhǎng)期致力于研究石墨烯中的單原子缺陷，發(fā)現(xiàn)缺陷可對(duì)石墨烯中自旋、子格贗自旋和谷贗自旋相關(guān)的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生深刻影響。例如，他們利用掃描隧道顯微鏡（STM）首次證實(shí)石墨烯中單原子空位缺陷存在局域自旋磁矩，并在原子尺度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)其自旋磁矩調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了三種自旋量子態(tài)；觀測(cè)到石墨烯中單原子缺陷引入的對(duì)稱性破缺態(tài)，并系統(tǒng)地測(cè)量了缺陷附近谷極化和谷依賴的自旋極化在實(shí)空間的分布情況。 石墨烯中電子的子格贗自旋來自于其六角晶格結(jié)構(gòu)，有A和B兩套子格，因此波函數(shù)數(shù)學(xué)形式上類似于自旋。對(duì)于電子自旋有很多有意思的可觀測(cè)物理現(xiàn)象，那么對(duì)應(yīng)石墨烯中的子格贗自旋是否有可觀測(cè)的物理現(xiàn)象呢？帶著這一問題，何林教授課題組開展了深入研究。他們發(fā)現(xiàn)石墨烯中的單原子缺陷可以使準(zhǔn)粒子在石墨烯手性不同的兩個(gè)谷之間發(fā)生彈性散射，并伴隨著子格贗自旋的旋轉(zhuǎn)，在缺陷附近產(chǎn)生一個(gè)原子尺度的子格贗自旋渦旋，而贗自旋在渦旋（單原子缺陷）的繞數(shù)直接反映了體系的Berry相位（圖1）。通常來說，貝利相位的測(cè)量需要借助于外加磁場(chǎng)，因?yàn)榇艌?chǎng)可以驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)粒子沿閉合的軌跡絕熱運(yùn)動(dòng)，所以這一的結(jié)果提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法測(cè)量不同層石墨烯Berry相位的方法。何林教授課題組利用STM測(cè)量單原子缺陷引起的谷間散射形成的電荷密度波振蕩，證明電荷密度波振蕩在實(shí)空間中增加的額外波前條紋數(shù)直接反映了子格贗自旋在渦旋的繞數(shù)，從而可直接測(cè)量不同層石墨烯的Berry相位。最近的工作中，他們對(duì)雙層石墨烯進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并將相關(guān)結(jié)果推廣到多層石墨烯體系。進(jìn)一步他們還研究了相同和相反繞數(shù)的子格贗自旋渦旋的量子干涉。上述結(jié)果直接證明了子格贗自旋有很多豐富有趣的物理現(xiàn)象亟待深入研究，也為子格贗自旋物理提供了全新的研究思路。

若將氧化物變薄到乃至單層，其表面自由能受基底金屬的調(diào)制會(huì)向金屬表面自由能靠近（化學(xué)勢(shì)的混合），此時(shí)沉積在薄層氧化物上的金屬就有可能處于高分散狀態(tài)。研究人員在 Cu(110) 單晶表面生長(zhǎng)單層 CuO 薄膜，再沉積鉑 (Pt) 金屬原子，得到 400 K 以上熱穩(wěn)定的 Pt 單原子模型催化劑。若將氧化物層厚度增加，相同沉積量的 Pt 原子則在室溫下便會(huì)團(tuán)聚，形成金屬團(tuán)簇。這種負(fù)載型金屬單原子模型催化體系的制備方法簡(jiǎn)單易行，不需要通過吸附分子或者嵌入晶格來穩(wěn)定金屬單原子。

納米石墨烯是經(jīng)由有機(jī)合成路線制備的稠合苯環(huán)組成的納米片狀材料，其結(jié)構(gòu)可以在有機(jī)合成過程中精確控制，并通過碳譜、氫譜等手段表征。研究團(tuán)隊(duì)以自制的納米石墨烯、商業(yè)化的含氮化合物、鐵鹽和二維石墨烯為前驅(qū)體，經(jīng)過高溫焙燒和酸洗處理，最終得到了高效的酸性氧還原催化劑。催化劑合成過程中，高溫條件下三聚氰胺提供的氮原子傾向于取代納米石墨烯的邊緣碳原子，并以此錨定