基于開爾文探針力顯微鏡的次表面成像研究.pdf

1、自從掃描隧道顯微鏡(STM)問世以來，掃描探針顯微鏡(SPM)一直都是納米尺度樣品物理特性表征的重要手段之一。依據(jù)應(yīng)用不同，SPM衍生出許多變體，諸如檢測電學(xué)特性的靜電力顯微鏡(EFM)、分析力學(xué)特性的聲學(xué)原子力顯微鏡(Acoustic AFM)和表征電勢分布的開爾文探針力顯微鏡(KPFM)。隨著微電子和納米復(fù)合材料等領(lǐng)域的發(fā)展，對SPM成像檢測技術(shù)提出更高的要求，不僅要求能夠檢測樣品表面或近表面的物理特性，更希望得到樣品次表面的物理特

2、性信息。
　　為滿足上述需求，本文研究利用開爾文探針力顯微鏡對聚合物內(nèi)部金屬性納米摻雜材料進(jìn)行次表面成像，并基于掃描得到的平面二倍頻振幅分布，重構(gòu)摻雜材料在聚合物內(nèi)部的三維空間分布，以期為納米復(fù)合材料研究提供三維高分辨次表面成像手段。圍繞以上研究目標(biāo)，本文從以下幾個(gè)方面展開研究:
　　首先，研究KPFM進(jìn)行次表面成像應(yīng)用時(shí)各個(gè)影響因素的影響。系統(tǒng)中諸多參數(shù)的選擇對最終的成像質(zhì)量至關(guān)重要，例如系統(tǒng)參數(shù)如探針與樣品距離、針尖半徑

3、和探針錐角和樣品因素如聚合物相對介電常數(shù)、摻雜材料的尺寸與掩埋深度。因此，本文建立了用于計(jì)算探針-復(fù)合材料樣品-金屬基底系統(tǒng)中探針上的靜電相互作用力的理論模型，并結(jié)合有限元仿真計(jì)算的方法，分析了各個(gè)參數(shù)對探針上靜電作用力大小的影響。結(jié)果表明，為達(dá)到最好的成像效果，應(yīng)選擇盡可能小的針尖樣品間距、合適的針尖半徑（約為1.5倍摻雜材料特征尺寸），探針錐角對靜電作用力影響不大。對于樣品因素，聚合物相對介電常數(shù)在4-10之間、大尺寸和淺表面的摻雜

4、材料成像質(zhì)量較好。
　　其次，制備復(fù)合材料樣品并進(jìn)行次表成像面實(shí)驗(yàn)分析。本文選擇碳納米管(CNT)作為聚合物復(fù)合材料中的摻雜材料，使用等摩爾的4-4-二氨基二苯醚和3-3，4-4-二苯酮四甲酸二酐混合物作聚合物基質(zhì)，利用旋涂法制備了CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％復(fù)合材料樣品。通過KPFM二倍頻處的振幅響應(yīng)，檢測到聚合物內(nèi)部CNT結(jié)構(gòu)對圖像襯度的貢獻(xiàn)。當(dāng)探針與樣品間距發(fā)生改變，獲得了多幅振幅圖像，隨著間距增加，CNT結(jié)構(gòu)在次表面圖像中襯度減弱

5、，與之前關(guān)于系統(tǒng)參數(shù)的分析結(jié)果一致。
　　再次，探索復(fù)合材料樣品中摻雜材料三維重構(gòu)方法。KPFM二倍頻振幅圖像只能反映摻雜材料在二維平面上的分布情況，但是有時(shí)更希望得到其在聚合物內(nèi)部的三維空間分布信息。由于摻雜材料尺寸與掩埋深度會(huì)影響摻雜材料周圍的靜電作用力分布，本文利用有限元模型探索尺寸和深度與靜電力分布的關(guān)系，即與在材料正上方的靜電力峰值與橫向分布的半高寬的關(guān)系，并探索利用上述兩個(gè)參數(shù)對聚合物內(nèi)部的摻雜材料進(jìn)行三維重構(gòu)方法。<