掃描探針顯微鏡的幾種動態(tài)測量新技術及其應用研究.pdf

1、掃描探針顯微鏡(SPM)的主要成員包括掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)。目前，SPM已經(jīng)成為納米尺度測量及操縱的不可缺少的重要工具，在科學研究和工業(yè)領域得到了越來越廣泛的應用。SPM儀器本身也在不斷的發(fā)展之中，具備新功能的SPM儀器類型不斷出現(xiàn)。SPM的動態(tài)測量在探針或樣品上施加某種激發(fā)或者振動并測量探針一樣品之間的相互作用，是SPM儀器技術的重要組成部分。近年來，SPM的動態(tài)測量技術得到了很大的發(fā)展，成為SPM及其應用

2、研究的熱點領域，越來越受到人們的重視。 本論文首先對SPM的發(fā)展進行了簡要介紹，接著綜述了SPM動態(tài)測量技術的研究進展；然后介紹了作為本論文儀器基礎的SPM技術平臺的建立；進而重點論述了本文在隧穿和介電損耗、納米阻抗、熱激發(fā)力測量等方面的創(chuàng)新技術及其應用研究的結果。 本論文的主要研究內(nèi)容及成果如下： 1，建立了一套SPM技術平臺。該技術平臺具備較高的穩(wěn)定性和開放式的系統(tǒng)結構，可用于新SPM技術及其應用的研究。其形

3、貌圖的橫向分辨率為0.1nm，縱向分辨率為0.01nm。其技術達到了相關國際產(chǎn)品的先進水平，并通過了由廣東省科技廳組織的科技成果鑒定。 2，發(fā)明了一種基于SPM的微區(qū)隧穿損耗的測量方法和一種微區(qū)介電損耗的測量方法，并開展了相關的應用研究。這些方法以損耗角隨頻率變化曲線的峰值附近的頻率為工作頻率，以交變電流信號的相位(損耗角)為反饋量，獲得損耗的納米微區(qū)分布的二維圖。在一次掃描中可獲得樣品的表面形貌、交流幅值以及損耗等多幅圖像。其

4、中隧穿損耗的測量方法可望發(fā)展為材料表面原子和分子種類的識別技術，其工作原理和技術方案具有原創(chuàng)性。 3，開展了納米阻抗等微區(qū)電特性測量技術及其應用研究，并致力于儀器的商品化。在一次掃描過程中同時測量了多晶氧化鋅陶瓷材料的表面形貌、直流電阻及交流阻抗的二維分布；得到了其多個晶粒的不同位置的電流.電壓曲線和阻抗譜，證實了它們之間存在的顯著的電特性差異。本實驗為微區(qū)電特性測量技術的應用提供了一個方法上的范例，同時說明了納米阻抗技術在多晶

5、材料的結構、性能及其相互關系等方面所具有的明確的應用前景。 4，發(fā)明了一種在STM中利用探針自身熱振動來測量探針一樣品之間的相互作用力的新方法，并開展了相關的應用研究。該方法通過對STM中的隧道電流信號的頻譜分析得到探針的本征頻率，并通過理論分析得到了該本征頻率與探針一樣品相互作用力的定量關系。其力梯度測量精度優(yōu)于0.1N/m，力分辨率約為0.1pN。首次利用該方法在大氣環(huán)境下測量了高定向裂解石墨(HOPG)、金、鉑等樣品與鉑一