用于微纳尺度力学实验分析的AFM-Raman联用系统

摘要

近年来，显微拉曼光谱技术与原子力显微技术逐渐发展成熟，商用化、科研级的显微拉曼光谱仪与原子力显微镜迅速推广，成为了微纳尺度实验力学研究的重要手段。然而，基于现有的显微拉曼光谱与原子力显微科研仪器开展微纳尺度复杂力学问题的精细测量与精准表征，仍然存在一些局限和难点。特别是，由于现有系统往往基于整体化设计，系统开放度低且测量构型固定，使其普遍欠缺对力学加载夹持装置的扩展能力，也难以给出多样性的几何与偏振构型以实现复杂应力状态的实验分析。针对这些问题，本文设计研制了模块化的显微拉曼系统和全开放的原子力显微镜系统，并开展了二者联用仪器的研究。 本文设计研制了模块化的显微拉曼系统。该系统的观察光路可以实现样品表面的白光照明及显微成像，激光光路可以实现入射激光的聚焦、散射信号的收集和传递。该系统的光路结构紧凑，整体重量较轻，空间位置易于调整，不仅能够作为独立的显微拉曼系统进行拉曼力学测量，还能够从空间任意角度介入其他系统实现联用。稳定性实验和单晶硅单轴压缩实验结果表明，该系统具有良好的稳定性和测量准确性。 本文设计研制了全开放式原子力显微镜系统，可以通过对针尖Z方向的扫描控制以及对样品台X、Y方向的扫描控制，实现样品表面三维形貌的快速扫描成像。由标准样品的扫描结果可知，该系统能够达到纳米级的测量精度，且具有结构紧凑、开放度高等特点。特别是该系统的探针周边以及探针下方半空间均没有其他仪器附件，使其可以成为联用系统的主体并实现显微拉曼系统介入。 本文基于所研制的全开放式原子力显微镜系统和模块化显微拉曼系统，开展了FO-AFM系统整体结构、拉曼介入角度和位移机构的改进设计和局部优化，并进一步实现了AFM-Raman联用系统整体结构的搭建与调试。

目录

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字母注释表

第一章 绪 论

1.2.2扫描探针显微镜

1.2.4现有测量手段的局限性

1.3本文主要工作

第二章 拉曼光谱仪、AFM系统及其联用系统

2.2.2显微拉曼光谱仪基本结构

2.2原子力显微镜工作原理和系统结构

2.2.2AFM系统的典型结构

2.3针尖增强拉曼系统基本原理与系统结构

2.3.2TERS系统基本结构

2.4本章小结

第三章 模块化显微拉曼系统

3.1半英寸笼式显微拉曼外光路子系统设计

3.1.1观察光路设计

3.1.2信号光路设计

3.2模块化显微拉曼系统光谱记录与分析

3.3模块化显微拉曼系统验证实验

3.3.1系统稳定性实验

3.3.2单晶硅单轴压缩实验

3.4本章小结

第四章 全开放式原子力显微镜的设计研制

4.1.1观察光路设计

4.1.2激光光路设计

4.2FO-AFM位移机构模块的设计

4.3FO-AFM 控制及反馈模块

4.4FO-AFM的标样测试

4.5本章小结

第五章 显微拉曼与AFM联用系统的搭建与标定

5.1.1FO-AFM主体结构固定方式的设计

5.1.2FO-AFM 探针位移机构后置

5.2拉曼外光路模块联用位移机构及介入角度的设计

5.3联用系统整体结构与隔振设计

5.4本章小结

第六章 工作总结及展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢