扫描探针显微镜的几种动态测量新技术及其应用研究

摘要

扫描探针显微镜(SPM)的主要成员包括扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)。目前，SPM已经成为纳米尺度测量及操纵的不可缺少的重要工具，在科学研究和工业领域得到了越来越广泛的应用。SPM仪器本身也在不断的发展之中，具备新功能的SPM仪器类型不断出现。SPM的动态测量在探针或样品上施加某种激发或者振动并测量探针一样品之间的相互作用，是SPM仪器技术的重要组成部分。近年来，SPM的动态测量技术得到了很大的发展，成为SPM及其应用研究的热点领域，越来越受到人们的重视。 本论文首先对SPM的发展进行了简要介绍，接着综述了SPM动态测量技术的研究进展；然后介绍了作为本论文仪器基础的SPM技术平台的建立；进而重点论述了本文在隧穿和介电损耗、纳米阻抗、热激发力测量等方面的创新技术及其应用研究的结果。 本论文的主要研究内容及成果如下： 1，建立了一套SPM技术平台。该技术平台具备较高的稳定性和开放式的系统结构，可用于新SPM技术及其应用的研究。其形貌图的横向分辨率为0.1nm，纵向分辨率为0.01nm。其技术达到了相关国际产品的先进水平，并通过了由广东省科技厅组织的科技成果鉴定。 2，发明了一种基于SPM的微区隧穿损耗的测量方法和一种微区介电损耗的测量方法，并开展了相关的应用研究。这些方法以损耗角随频率变化曲线的峰值附近的频率为工作频率，以交变电流信号的相位(损耗角)为反馈量，获得损耗的纳米微区分布的二维图。在一次扫描中可获得样品的表面形貌、交流幅值以及损耗等多幅图像。其中隧穿损耗的测量方法可望发展为材料表面原子和分子种类的识别技术，其工作原理和技术方案具有原创性。 3，开展了纳米阻抗等微区电特性测量技术及其应用研究，并致力于仪器的商品化。在一次扫描过程中同时测量了多晶氧化锌陶瓷材料的表面形貌、直流电阻及交流阻抗的二维分布；得到了其多个晶粒的不同位置的电流.电压曲线和阻抗谱，证实了它们之间存在的显著的电特性差异。本实验为微区电特性测量技术的应用提供了一个方法上的范例，同时说明了纳米阻抗技术在多晶材料的结构、性能及其相互关系等方面所具有的明确的应用前景。 4，发明了一种在STM中利用探针自身热振动来测量探针一样品之间的相互作用力的新方法，并开展了相关的应用研究。该方法通过对STM中的隧道电流信号的频谱分析得到探针的本征频率，并通过理论分析得到了该本征频率与探针一样品相互作用力的定量关系。其力梯度测量精度优于0.1N/m，力分辨率约为0.1pN。首次利用该方法在大气环境下测量了高定向裂解石墨(HOPG)、金、铂等样品与铂一铱合金探针之间的相互作用力，得到了相应的力一距离曲线。将实验结果与传统AFM的力一距离进行了比较，并对所测得的相互作用力进行了初步的理论分析。对HOPG样品，得到了与作用力有关的多个特征参数，如原子尺度的弹性模量、探针一样品问相互作用的结合能及其力衰减长度。STM的热振动力测量方法为隧穿过程中力的测量提供了新的技术手段。该方法具有原创性，在原子尺度的短程力研究以及表面原子、分子或结构的识别等方面具有非常明确而广泛的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1扫描探针显微镜简介

1.2扫描隧道显微镜及其谱学测量

1.3原子力显微镜与力测量

1.4扫描探针显微镜技术的发展

1.5本论文的主要内容

第2章扫描探针显微镜的动态测量方法及其原理

2.1扫描隧道显微镜中的动态测量方法

2.2原子力显微镜中的动态力测量方法

2.3基于导电原子力显微镜的动态测量方法

2.4扫描探针显微镜中的其它动态测量方法

2.5小结

第3章扫描探针显微镜技术平台的建立

3.1扫描探针显微镜技术平台的总体设计

3.2关键软硬件的研制

3.3扫描探针显微镜技术平台的研制结果

3.4小结

第4章损耗测量技术及其应用

4.1隧穿损耗测量技术及其应用

4.2介电损耗测量技术及其应用

第5章微区电测量技术及其应用

5.1纳米阻抗测量技术简介

5.2测量仪器

5.3氧化锌陶瓷的微区电特性测试

5.4小结

第6章热激发力测量技术及其应用

6.1隧道电流和力的同时测量

6.2热激发力测量技术的实现

6.3高定向裂解石墨(HOPG)与探针间的相互作用

6.4不同样品的力梯度-距离曲线的比较

6.5几个问题的讨论

6.6小结

第7章总结与讨论

7.1总结

7.2应用展望

7.3对后续研究工作的建议

参考文献

攻读博士学位期间完成的主要研究成果

致谢