液桥对原子力显微镜成像的影响

摘要

原子力显微镜(AFM)是通过检测探针扫描样品表面时的运动轨迹来获取样品表面形貌的工具。近年来随着AFM的广泛应用，赝像问题应引起注意。杂质、湿度、温度都可以对成像精度造成影响，其中湿度造成的影响程度尤为显著。本文着重研究空气湿度对AFM成像的影响。通过热力学推导和实验相结合的方法我们得到三个重要参数:微悬臂的耗散能、液桥破碎时的针—样间距以及针—样间最大黏附力。这三个参数可以衡量液桥对AFM成像的影响程度。本论文的主要研究内容有:液桥的热力学分析;利用C++语言进行编程计算;探针的有限元建模和分析;不同湿度下针尖样品之间的力—位移曲线测量。
　　 通过比较耗散能的理论值与实验数据可发现两者基本吻合。热力学方法适用于研究探针与样品表面的作用并且被实验验证。通过理论分析与实验可得:在较高湿度下微悬臂的耗散能增加显著;微悬臂振幅的改变量随着耗散能的增大而增大;微悬臂的相位改变量随着耗散能的增大而增大，并且接近于线性变化。将理论值与实验数据结合，对微悬臂进行振动分析得出了耗散能改变微悬臂振幅和相位的定性结论。

目录

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摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 引言

1．3 原子力显微镜结构和基本原理

1．4 液桥的基本概念

1．5 几种重要的针一样作用力

1．5．1 静电力

1．5．2 范德华力

1．5．3 毛细力

1．6 影响原子力显微镜成像质量的因素

1．7 前人的研究成果

1．8 论文主要研究内容

第二章 不同空气湿度下液桥的分析与计算

2．1 模型的建立与分析

2．1．1 液桥模型

2．1．2 近似假设和恒定条件

2．1．3 基于表面能和热力学理论下的推导

2．2 不同湿度下各参数的分析

2．3 计算结果分析

第三章 AFM中微悬臂耗散能测量

3．1 实验装置和实验方法

3．2 接触式探针的实验

3．2．1 特定湿度下接触式探针对硅片表面的测量

3．2．2 测量结果分析

3．3 轻敲式探针的实验

3．3．1 改变湿度的方法和装置

3．3．2 不同湿度下力—位移曲线的测量

3．4 实验数据处理和分析

3．4．1 实验数据处理方法

3．4．2 数据处理结果

第四章 液桥产生的耗散能对AFM成像的影响

4．1 AFM微悬臂结构的振动分析

4．2 等效能量法

4．3 耗散能与微悬臂的振幅和相位的关系

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

附录

附录Ⅰ 液桥几何模型

附录Ⅱ 两种计算方法在程序中的实现

附录Ⅲ 微悬臂梁刚度的有限元分析

致谢

研究成果及发表的学术论文

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