扫描探针显微镜教学演示软件

　　扫描探针显微镜(SPM)家族主要包括扫描隧道显微镜(STM),原子力显微镜(AFM),扫描近场光学显微镜(SNOM)等,是纳米科学与技术领域中的强大工具,它们的分辨率可达到纳米级甚至是原子级。然而这些仪器大都原理新颖,操作复杂,价格昂贵,通常使用人员必须经过较长时间才能正确操作,且往往由于误操作可能导致仪器设备损坏,它们的原理图见图1,图2和图3。为此,我们编写了扫描探针显微镜教学演示软件,该软件将SPM技术与计算机辅助教学技术结合在一起,通过运用文字说明,三维图像动画,模拟仿真等方法,对操作者进行SPM的介绍和使用培训,以期用户在使用本软件后能对SPM有一个较为全面和深入的了解,并能较快的在真实仪器上正确操作。

　　软件特点和功能

　　本软件在WIN95环境下运行,用C语言编写,界面良好,易于操作。内含STM,AFM,SNOM三套仪器系统功能模块,由于这三套仪器的电路处理部分基本相同,因此,着重介绍了STM系统仪器。软件界面采用与真实仪器相同的面板外观,每个按钮的位置和形状以及波形显示屏均与真实仪器相同,同时开辟了一个示波器窗口来模拟显示信号波形,更具真实感,还可消除用户初次使用SPM仪器时的陌生感。当用户将鼠标移到任一个面板按钮上时,软件会自动显示该按钮的功能,指导用户进行操作。另外,由于软件中采用了近似的数学模型来模拟仪器的输入和输出,即利用一个数字函数来表达STM的隧道电流、针尖与样品间的距离、针尖与样品间的偏置电压这三者之间的关系,因此大大增强了操作时的真实感。用户只须用鼠标点击软件中仪器面板上的旋钮对各种参数进行调整,当操作步骤都准确无误,并且参数基本符合数学模型时,则软件将显示出所选择的样品的表面形貌。如果用户选择的是STM系统,还能显示STM所测样品的I-V曲线。

　　为了使用户对SPM仪器的工作原理有一个深入全面的了解,除了制作详细的联机帮助,用文字和静态图形来阐述SPM仪器的原理和操作以外,我们还绘制了三维动画来演示STM,AFM,SNOM的工作原理,这样更直观易懂,更易为用户所接受。由于初学者在使用仪器时误操作的概率较大,通常导致实验失败,严重时甚至会损坏仪器。鉴于此,我们在软件中增加了常见误操作的报警功能,一旦误操作发生,软件会弹出对话框给予警告,并禁止执行此操作。这样经多次警告后,就可大大减少实际使用时这些误操作的发生率。

　　结束语

　　作为一种CAI软件,本软件界面友好,操作简便。采用文字、图形、三维动画等方式将SPM这一尖端复杂仪器的原理和使用与计算机辅助教学这一形式结合起来,经部分人员试用后,效果明显,反应良好。可大大增加操作者学习SPM的兴趣,并能起到事半功倍的效果。目前已在我校“纳米技术基础”课程中使用。不足的是AFM和SNOM的数学模型还有待进一步研究。