双扫描器宽范围原子力显微镜技术及系统

摘要

纳米技术越来越成为当今世界科技发展的潮流，对现代科学技术的发展和社会进步起到重大的推动作用．以扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜(AFM)为代表的扫描探针显微术(SPM)是纳米技术发展的重要基础，也是纳米科技工作者和研究人员必不可少的研究工具．其中以AFM的应用范围最为广泛，它可以在大气、液体等多种环境下对导体、半导体、绝缘体等多种材料进行检测，适应性很强．
　　 本文在分析国内外AFM技术研究和应用现状的基础上，对现有AFM仪器的缺点和不足做了探讨。针对这些缺点和不足，本文提出了双扫描器宽范围的AFM扫描新方法，包括新型的压电扫描方法和步进扫描方法，并在此基础上研制出了一套双扫描器宽范围AFM系统。该系统集成了压电扫描器和步进扫描器两种扫描方式，不仅能对样品进行高分辨率的检测，还能对较大较重样品进行大范围的扫描成像，实现了在一个较宽的范围内对样品表面形貌的全方位呈现．
　　 本文分别从理论方法、系统设计以及实验技术等方面对该AFM系统进行了详细阐述，本文的主要研究内容及工作如下：
　　 首次提出了双扫描器实现小范围高分辨和较大较重样品大范围扫描的新方法。发展并优化了压电陶瓷扫描方法，利用两个压电陶瓷管构成的扫描器做X、Y方向上的扫描和单个压电陶瓷管带动微悬臂作Z向反馈运动，实现了XY平面扫描和Z向反馈的分离，消除了耦合误差，实现高分辨；与此同时，利用两个步进电控平移台构成的扫描器带动样品进行大范围AFM扫描，并在实际的实验研究中实现了利用步进扫描器扫描较大样品并得到大范围AFM图像的功能。
　　 结合压电扫描和步进扫描两种方法，成功研制了双扫描器宽范围AFM系统。该系统运行平稳良好，能在保证小范围扫描具有高分辨率的前提下满足对较大样品大范围扫描成像的要求。并且基于压电扫描器与步进扫描器的不同特点以及测量样品的特殊要求等，设计了功能完善、运行良好的扫描控制软件。该软件不仅可实现压电扫描方式的扫描控制以及步进扫描方式的扫描控制，还提供了序列图像的拼接功能。
　　 利用本系统对多种样品进行了AFM扫描实验研究。实验包括对样品的小范围高分辨扫描以及对样品的大范围扫描，得到了较好的实验结果，验证了系统稳定良好的性能。此外，通过序列图像的拼接在已获得的大扫描范围的基础上获得了更大范围的AFM图像，极大的拓展了AFM的应用范围。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章 绪论

1.1 纳米科技概述

1.2 扫描探针显微术的发展

1.2.1 扫描隧道显微镜(STM)技术

1.2.2 原子力显微镜(AFM)技术

1.2.3 扫描探针显微镜(SPM)家族

1.3 原子力显微镜的研究现状

1.4 本课题的研究内容及研究成果

第二章 原子力显微镜基本原理与方法

2.1 原子力作用机制

2.2 原子力显微镜工作原理

2.3 微探针及微偏转的检测方法

2.3.1 AFM微探针

2.3.2 微偏转的检测方法

2.4 原子力显微镜的工作模式

2.4.1 接触模式

2.4.2 非接触模式

2.4.3 轻敲模式

2.5 AFM仪器技术及特点

第三章 双扫描器宽范围AFM新方法研究

3.1 双扫描器总体方案

3.2 压电陶瓷扫描方法

3.2.1 压电效应及压电陶瓷推拉式控制方法

3.2.2 新型压电扫描方法

3.3 电控二维步进扫描方法

3.4 AFM图像拼接技术

3.4.1 特征提取与SIFT算法

3.4.2 AFM序列图像的获取与拼接

第四章 双扫描器宽范围AFM系统研制

4.1 系统总体设计

4.2 压电扫描器研制

4.2.1 压电陶瓷扫描器设计

4.2.2 压电扫描驱动电路

4.3 步进扫描器研制

4.3.1 二维步进扫描台设计

4.3.2 步进细分及脉冲时序

4.3.3 步进扫描控制

4.4 反馈控制电路

4.4.1 PSD及前置放大电路

4.4.2 PID反馈控制电路

4.5 信号采集与控制

4.6 双扫描器宽范围AFM扫描控制软件开发

4.6.1 软件总体介绍

4.6.2 扫描控制与成像部分

4.6.3 AFM图像拼接部分

4.6.4 图像处理及三维显示

第五章 双扫描器宽范围AFM的实验技术研究

5.1 压电扫描实现纳米级分辨率

5.1.1 多孔氧化铝的纳米结构图像

5.1.2 硅基上锗膜的纳米结构图像

5.1.3 微孔滤膜的纳米结构图像

5.2 步进扫描器宽范围实验

5.2.1 标准光栅的微结构图

5.2.2 离子束刻蚀的石英玻璃微结构图

5.3 AFM图像拼接实验研究

5.3.1 压电扫描的序列图像拼接

5.3.2 步进扫描的序列图像拼接

第六章 总结与展望

6.1 研究工作总结

6.2 展望

参考文献

作者简介

硕士在读期间发表论文和完成工作情况