原子力顯微鏡在納米技術(shù)中若干應(yīng)用與定量分析.pdf

1、原子力顯微鏡作為掃描探針顯微鏡的一個(gè)重要成員，是納米科學(xué)技術(shù)中的主要工具之一。由于具有納米甚至原子量級(jí)的超高分辨率和柔性的測(cè)量環(huán)境要求使得原子力顯微鏡在納米科技各領(lǐng)域，例如納米計(jì)量、表面科學(xué)和生物科學(xué)等中的應(yīng)用愈來愈廣泛。 本文主要從多個(gè)側(cè)面研究原子力顯微鏡應(yīng)用的若干重要問題。首先，探討原子力顯微鏡測(cè)量中針尖和樣品形貌的耦合以及相應(yīng)的樣品形貌重建。利用基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法，通過數(shù)值模擬，研究影響原子力顯微鏡粗糙度測(cè)量的探針和樣品的

2、幾何因素。分析中同時(shí)考慮針尖曲率半徑、被測(cè)樣品表面的原始相關(guān)長(zhǎng)度、標(biāo)準(zhǔn)偏差和高度分布形態(tài)等綜合因素。并且從實(shí)驗(yàn)上表明了掃描速率對(duì)表觀圖像質(zhì)量和測(cè)量粗糙度的影響。這部分工作在AFM掃描圖像定量評(píng)價(jià)上有重要意義。 其次，從理論和實(shí)驗(yàn)上分析現(xiàn)今廣泛采用的振動(dòng)測(cè)量模式的一些機(jī)理，如探針振動(dòng)過程中的振幅——位移和相位——位移曲線以及探針的非線性振動(dòng)現(xiàn)象。利用3D模式，系統(tǒng)地對(duì)振動(dòng)模式中原子力顯微鏡微懸臂的非線性振動(dòng)特性作了實(shí)驗(yàn)分析。對(duì)已有

3、的利用振動(dòng)模式掃描極化力顯微鏡對(duì)DNA測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)建模分析，發(fā)現(xiàn)計(jì)算的DNA徑向彈性模量隨變形增加而增加，說明基底效應(yīng)對(duì)測(cè)量的影響不可忽略。利用接觸模式、Jumping模式、接觸振動(dòng)模式和非接觸振動(dòng)模式對(duì)DPPC單層膜的形貌和粘附力進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在接觸振動(dòng)模式下，測(cè)量的DPPC形貌出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。基于粘附力引起的能量損耗的定性分析則可以合理解釋上述形貌的反轉(zhuǎn)。 再次，利用靜電力顯微術(shù)定性標(biāo)定G4分子和單壁碳納米管的導(dǎo)電性。

4、嘗試在液體環(huán)境下利用原子力顯微鏡同時(shí)測(cè)量法向力和電流，發(fā)現(xiàn)對(duì)于部分商用的導(dǎo)電探針和自鍍金屬膜的探針能夠在皮牛量級(jí)的作用力下跟樣品建立電學(xué)接觸。然而，對(duì)液體環(huán)境下，如何產(chǎn)生可靠的導(dǎo)電探針和導(dǎo)電針尖的壽命問題是電學(xué)性能定量標(biāo)定的瓶頸。同時(shí)，本文中還獲得了大氣與液體環(huán)境下的低隧道電流反饋的掃描隧道顯微鏡原子分辨圖像。 文中第四部分主要介紹一種循環(huán)溶液原子力顯微鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)在生物樣品測(cè)量和原位觀測(cè)溶液下晶體生長(zhǎng)具有很大的潛力。作為其中

5、的一種應(yīng)用，用該原子力顯微系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀測(cè)(Ba，Sr)SO4晶體在重晶石(001)晶面上的生長(zhǎng)狀況，系統(tǒng)地測(cè)量分析晶體生長(zhǎng)的生長(zhǎng)形貌以及臺(tái)階生長(zhǎng)速率和二維小丘分布密度隨溶液不同組份及濃度的變化關(guān)系。并且利用原子力顯微鏡進(jìn)行了微刻壓實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)伴隨微壓痕的產(chǎn)生，在重晶石晶體(001)晶面表面上沿著某特定晶向會(huì)產(chǎn)生幾埃量級(jí)的位錯(cuò)。 最后，作為相對(duì)獨(dú)立的一章，介紹利用原子力顯微鏡陽極氧化方法加工的納米量級(jí)二維零位對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。用基于自相關(guān)函數(shù)