IPC-208B型原子力顯微鏡系統(tǒng)改進及其壓電微懸臂的研究.pdf

1、21世紀以來，掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscope，簡稱SPM)已經(jīng)成為納米檢測與加工不可缺少的研究儀器。尤其是原子力顯微鏡(AFM)憑借其原子量級(0.1nm)的精度，在材料科學、生物醫(yī)學、納米機電以及微納加工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展以及在納米檢測與加工領(lǐng)域中的深入應(yīng)用，原子力顯微鏡技術(shù)自身也得到了很大的發(fā)展。重慶大學恒瑞納米技術(shù)工作站在現(xiàn)有的IPC-208B型原子力顯微鏡系統(tǒng)的基礎(chǔ)上

2、，不斷優(yōu)化原子力顯微鏡系統(tǒng)的性能，拓展其應(yīng)用，并致力于研究開發(fā)多工作模式的原子力顯微鏡。本論文在重慶市科委自然科學基金項目和重慶大學自然科學青年基金項目的資助下，開展了IPC-208B型原子力顯微鏡系統(tǒng)性能改進、最新實驗應(yīng)用及其壓電微懸臂的研究，主要做了以下幾個方面的研究工作：
　　 ①系統(tǒng)研究以AFM為主的SPM的工作原理、發(fā)展概況以及應(yīng)用情況，詳細論述了壓電微懸臂的理論和國內(nèi)外應(yīng)用發(fā)展，重點論述了壓電微懸臂在AFM系統(tǒng)中的研

3、究現(xiàn)狀。
　　 ②介紹實驗室近幾年在IPC-208B型原子力顯微鏡系統(tǒng)改進及其最新應(yīng)用實驗方面的工作。系統(tǒng)介紹AFM.IPC-208B型機系統(tǒng)組成，重點介紹顯微鏡鏡體中的步進電機、壓電陶瓷、微懸臂、變速系統(tǒng)；改進方面在AFM系統(tǒng)配備了AFM微懸臂調(diào)節(jié)裝置，微懸臂調(diào)節(jié)機構(gòu)采用可拆卸式的裝置，兼顧了AFM系統(tǒng)功能與STM系統(tǒng)功能，提高了儀器的應(yīng)用價值。為微懸臂和探針增設(shè)探針調(diào)節(jié)監(jiān)測裝置(2D調(diào)節(jié))，增強調(diào)整的準確性，提高調(diào)整效率，避

4、免撞針情況的發(fā)生，提高微懸臂的可操作性；選擇壓電陶瓷掃描器進行下掃描設(shè)置，使掃描范圍由原來的1000×1000 nm2擴大為10×10μm2，實現(xiàn)大范圍掃描；詳細論述該系統(tǒng)在微加工、生物醫(yī)藥樣品表征、鐵磁和鐵電材料表征和高分子聚合物纖維材料表征方面的最新的應(yīng)用進展。
　　 ③對AFM系統(tǒng)的壓電微懸臂進行設(shè)計。根據(jù)微懸臂形變與位移傳感原理，在AFM壓電微懸臂設(shè)計原理、討論其工作模式原理的基礎(chǔ)上，給出完整的壓電微懸臂結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計，

5、提出硅底+電極+壓電薄膜+電極四層結(jié)構(gòu)；分析對比PZT與ZnO兩種壓電材料的特點，并分析壓電微懸臂感應(yīng)和執(zhí)行兩種工作方式；研究了微懸臂及其探針的加工工藝；分析壓電微懸臂的特點，在與其他方式微懸臂的進行對比分析的基礎(chǔ)上探討壓電微懸臂在AFM中的應(yīng)用前景。
　　 ④對AFM壓電微懸臂進行有限元分析及ANSYS仿真。根據(jù)有限元和ANSYS仿真原理，按照原子力顯微鏡工作環(huán)境和要求，采用有限元方法建立微懸臂模型，采用ANSYS軟件對模型進

6、行靜力分析求解得到壓電分析結(jié)果：電壓隨作用力或位移的變化關(guān)系，具有較好的線性度。深入分析模型中的各個參數(shù)：長度、寬度、厚度等對電壓產(chǎn)生的影響，得到3階模態(tài)振動圖及固有頻率模態(tài)分析結(jié)果，并討論不同尺寸參數(shù)對模態(tài)頻率的影響；分析不同探針位置對模態(tài)頻率和靈敏度的影響，并對是否考慮延伸端進行性能對比分析；采用電壓/位移(△U/△D)對模型的靈敏度進行標度，做各尺寸參數(shù)對靈敏度的影響分析；總結(jié)仿真分析結(jié)果，綜合考慮壓電微懸臂尺寸的影響，優(yōu)化分析結(jié)