多模态原子力显微镜改进及实验

摘要

原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)根据其悬臂的工作状态可以分为接触式AFM和动态AFM，实验室自制的多模态原子力显微镜既可以在接触模式下也可以在动态模式下对物体表面形貌进行扫描，并且可以利用硅悬臂的高阶谐振幅值特性对物体进行三维扫描来提高动态AFM的动态特性。为了进一步得到物体表面的更多信息，在实验室自制多模态原子力显微镜系统的基础上又为动态AFM系统加入了利用悬臂各阶谐振的相位特性和频率特性进行扫描的反馈系统，论文主要介绍了以下工作:
　　(1)对动态原子力显微镜系统悬臂的高阶振幅、相位、频率特性进行了理论分析，从理论上分析了利用高阶谐振振幅、相位特性有更高的灵敏度与分辨力;
　　(2)对动态AFM中相位反馈与频率反馈的硬件电路研制;
　　(3)利用多模态原子力显微镜系统进行实验测试，具体实验包括了接触模式的力曲线、噪声与三维扫描测试;动态原子力显微镜振幅反馈模式下悬臂分别在一阶、二阶谐振状态下的力曲线、噪声以及三维扫描测试;相位反馈模式下悬臂分别在一阶、二阶谐振状态下的力曲线、噪声以及三维扫描测试;频率反馈模式下悬臂一阶谐振状态下的力曲线、噪声与三维扫描测试。
　　(4)对多模态AFM在接触模式、动态模式下的扫描结果进行了分析，动态模式各个反馈模式下的扫描结果进行比较分析，动态AFM各个反馈模式下高阶与低阶的扫捕结果进行分析比较，结果显示高阶谐振振幅、相位特性具有更高的灵敏度与分辨力。
　　通过对原有的多模态原子力显微镜改进与实验，实现了AFM系统在各模态、各反馈方式与各阶谐振状态下的三维扫描，实验所得的三维扫描结果也证明了系统在各工作方式下的有效性与可行性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 原子力显微镜(AFM)

1．2．1 原子力显微镜(AFM)的工作原理

1．2．2 原子力显微镜(AFM)的工作模式

1．3 课题来源及研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 研究内容

第二章 微悬臂振动模型与高阶谐振特性分析

2．1 微悬臂振型分析

2．2 微悬臂高阶谐振特性分析

2．2．1 机械振幅空间分辨力

2．2．2 相位灵敏度

2．2．3 频率灵敏度

第三章 多模AFM系统组成及原理

3．1 系统组成

3．2 系统工作原理

第四章 系统硬件电路

4．1 硬件电路总框图

4．2 四象限光电二极管信号处理电路

4．3 接触模式信号提取电路

4．4 动态模式电路设计

4．4．1 振幅反馈电路设计

4．4．2 相位反馈电路设计

4．4．3 频率反馈电路设计

第五章 多模态原子力显微镜系统实验结果及分析

5．1 接触模式实验结果及分析

5．2 动态模式实验结果及分析

5．2．1 振幅反馈系统性能测试

5．2．2 相位反馈系统性能测试

5．2．3 频率反馈系统性能测试

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 存在的问题及工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况