新型快速原子力顯微鏡的研制及應(yīng)用.pdf

1、近年來，納米科技一直是快速發(fā)展的前沿課題之一。原子力顯微鏡(AFM)因具有極高的分辨率，而且不受樣品導(dǎo)電性的限制，而成為納米科技領(lǐng)域的重要工具。傳統(tǒng)AFM的掃描速度慢，嚴(yán)重限制了AFM的應(yīng)用范圍。這主要是由于壓電陶瓷掃描器的X、Y、Z向之間存在交叉耦合，使得AFM在快速掃描中獲得的圖像扭曲失真。針對這種情況，本文在平板掃描器（XY和Z向分離，消除XY和Z向的交叉耦合）的基礎(chǔ)上提出了一種基于梳狀柔性結(jié)構(gòu)掃描器的快速AFM系統(tǒng)，減小了X和Y

2、向交叉耦合誤差，提高了AFM系統(tǒng)在快速掃描下的成像性能。
　　本文從多個方面對該快速AFM系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的論述，包括理論方法、系統(tǒng)設(shè)計、性能分析和優(yōu)化及實驗應(yīng)用，主要研究內(nèi)容和工作如下:
　　首先優(yōu)化和發(fā)展了一種基于柔性結(jié)構(gòu)掃描器的快速AFM的新方法。該方法的優(yōu)點是用柔性結(jié)構(gòu)掃描器來掃描樣品，在實現(xiàn)了XY掃描平面和Z向反饋分離的同時，也減小了X和Y向交叉耦合誤差，從而在原理和設(shè)計方法上確保了原子力顯微鏡在快速掃描時能夠得到理

3、想圖像。
　　基于上述原理和方法，成功研制了新型快速AFM系統(tǒng)。首先，設(shè)計并研制了基于柔性結(jié)構(gòu)掃描器的AFM探頭，主要包括柔性結(jié)構(gòu)掃描器，Z向反饋控制器。其次，研制了性能良好的Z向反饋控制電路，PSD前置放大電路，壓電驅(qū)動電路。然后，設(shè)計研發(fā)了快速數(shù)據(jù)處理和成像的軟硬件系統(tǒng)，采用快速及高精度的數(shù)據(jù)采集卡來完成樣品形貌數(shù)據(jù)的讀入和掃描控制信號的輸出、轉(zhuǎn)換，提高數(shù)據(jù)處理速度。在軟件方面，完成基于快速數(shù)據(jù)采集卡的程序接口移植，由于該卡提

4、供了不同操作系統(tǒng)的驅(qū)動，從而確保了AFM系統(tǒng)在不同操作系統(tǒng)之間的可移植性，為AFM的進(jìn)一步普及打下了良好的基礎(chǔ)。
　　對新型快速AFM系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析，并提出了相應(yīng)的措施來改善系統(tǒng)性能。最后，進(jìn)行了大量的實驗測試工作。包括，對多孔氧化鋁、金屬玻璃及二維光柵進(jìn)行慢速高分辨率的掃描成像，對標(biāo)準(zhǔn)光柵進(jìn)行不同范圍的掃描成像，成功獲得樣品表面微納米結(jié)構(gòu)圖。實驗結(jié)果證明本系統(tǒng)具有傳統(tǒng)AFM精確無誤，分辨率高、重復(fù)性好等優(yōu)良性能。最后，對鍺量