原子力显微术的新方法研究及新型原子力显微镜系统研制

摘要

该文在全面分析扫描探针显微镜(SPM)技术,特别是AFM技术的国内外发展历史、现状及存在的主要问题的基础上,进一步揭示了AFM的原子力作用机理,着重分析了力-距离曲线的变化规律;对作用在微悬臂上的光压力和微悬臂本身的重力进行了系统的理论研究和计算分析,建立了激光束对AFM微悬臂的光压作用模型及计算公式,考察了这些因素对原子力作用机理及AFM性能的影响;提出克服或消除这些影响的理论构想,为发展新的AFM技术、研制新型AFM系统提供了重要的理论依据.在理论研究的基础上,首次提出和发展了卧式原子力显微镜的新方法与新技术.该文在方法上的另一创新是,发展了独特的微悬臂偏转量的光束偏转法检测系统.该系统设计有特殊的光路,结构简洁,体积小,通过多次反射提高反射臂的光程,保证了最佳的光杠杆放大比;同时,检测系统中的位置敏感元件(PSD)光敏面位于正对视线的方向,易于AFM系统的操作和观察.利用上述新方法,在国内外率先研制建立了新型卧式原子力显微镜系统,主要性能指标达到国内外先进水平.成功研制了卧式AFM探头,包括特有的微悬臂偏转量的卧式光电检测系统、AFM成像工作点(即原子力的预设置点)的调节机构、XYZ扫描与反馈控制器、样品的粗调与微调机构;自行研制了高性能的PSD前置放大电路、XY扫描控制电路和Z向PID反馈控制电路系统;设计了A/D&D/A控制接口,独立开发了性能完善的AFM扫描与控制软件系统及功能强大的图像处理软件系统.利用卧式AFM系统,在物理学、化学、材料学、高分子科学、生物医学、光电子学、微纳米摩擦学与机械学等多个领域进行了大量的应用研究工作,其中的一些实验研究工作是该文首次实现的,如金刚石薄膜的结晶状况分析;光电功能薄膜的形成过程研究;纳米级台阶深度的测量等;此外,首次利用AFM对铝的阳极氧化抗腐蚀处理过程进行系统的实验研究.上述研究工作也进一步验证了新型卧式AFM所具备的高分辨率、大扫描范围、高图像清晰度、高重复性、高稳定性、低维护要求、便捷操作等优异性能及广阔的应用范畴.