轻敲模式下AFM快速扫描技术的研究

论文摘要

原子力显微镜（Atomic Force Microscope,简称AFM）作为纳米技术研究的重要工具,其广泛应用支持和推动着纳米技术的飞速发展。从AFM发明至今,人们一直在致力于对原子力显微镜不断的完善和使其成为更加通用的仪器的研究。传统的AFM在轻敲模式下成像速度较低,限制了AFM对动态过程的观测能力。这主要是由于探针机械振动响应较慢及探针高频机械振动不稳定性等因素造成的。提高AFM在轻敲模式下的扫描速度,有利于观测到生物的动态过程,对于完善原子力显微镜功能非常重要,并且将对生物等其他领域的发展具有重要意义。本论文通过对国内外AFM快速扫描技术的研究,将理论与实验相结合,分析了影响轻敲模式下AFM扫描速度的关键因素及其机理,并着重研究了AFM反馈带宽对扫描速度的限制,通过实验验证了探针谐振频率及AFM参数设置对扫描速度影响的机理分析的准确性,奠定了研究建立高速AFM系统的理论基础。论文主要包括以下几个方面:1.依据AFM工作原理,提出了轻敲模式下AFM快速扫描技术的研究目的和意义,解释了AFM扫描速度的基本概念,结合国内外文献在快速扫描方面的成果,理论分析了AFM快速扫描技术的研究现状,并对本课题主要工作进行了说明。2.理论分析了探针扫描台阶上下沿的过程,讨论了反馈系统成像带宽、误差信号饱和现象、探针振幅至电压信号转换及AFM扫描参数等因素对AFM扫描速度的影响。3.依据反馈系统基本原理,说明了AFM反馈系统的工作原理,分析了探针和驱动器带宽对AFM成像带宽的限制机理,并结合反馈系统理论提出新型AFM反馈系统方案。4.利用现有的Veeco公司的Multi-Mode原子力显微镜,实验分析了在轻敲模式下不同谐振频率的AFM探针对扫描速度的影响,验证了探针谐振频率影响AFM扫描速度理论分析的准确性。5.利用Multi-Mode原子力显微镜,设计了AFM参数设置对扫描速度影响的实验,通过实验分别分析了扫描频率、设定值、比例增益、积分增益等AFM仪器参数与扫描速度的关系,验证了AFM参数设置影响扫描速度理论分析的准确性。6.通过对论文工作的总结,对本论文下一步工作进行了展望,主要包括分析样品在液体中成像时AFM扫描速度影响,构建AFM高速反馈系统,结合高速反馈系统进行带宽分析等。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的及意义
• 1.2 原子力显微镜基本原理与成像模式
• 1.3 原子力显微镜扫描速度基本概念
• 1.4 原子力显微镜快速扫描技术研究现状
• 1.4.1 采用积分式激励的探针以提高谐振频率
• 1.4.2 采用ZnO薄膜激励和动态Q控制提高成像速度
• 1.4.3 xy向扫描与z向扫描分开
• 1.4.4 采用基于模型的控制方式
• 1.5 本课题的主要工作
• 第二章 轻敲模式下影响AFM扫描速度的主要因素及其机理分析
• 2.1 影响 AFM 扫描速度的主要因素
• 2.2 下降沿扫描速度分析
• 2.3 上升沿扫描速度分析
• 2.4 反馈系统带宽
• 2.5 误差信号饱和
• 2.6 方均根振幅至电压信号（rms-to-dc）转换器
• 2.7 AFM参数设置对扫描速度的影响
• 第三章 反馈系统对 AFM 扫描速度的影响
• 3.1 反馈系统概述
• 3.1.1 典型反馈系统
• 3.1.2 反馈控制原理
• 3.1.3 原子力显微镜PID控制器
• 3.1.3.1 模拟PID控制器
• 3.1.3.2 数字PID控制算法
• 3.2 原子力显微镜反馈系统工作原理
• 3.3 原子力显微镜反馈控制对扫描速度的影响
• 3.3.1 探针带宽分析
• 3.3.2 反馈驱动带宽分析
• 3.4 以提高反馈带宽为目的的反馈系统
• 3.4.1 设定值前馈校正系统设计
• 3.4.2 双自由度（2DOF）控制器设计
• 第四章 探针谐振频率对扫描速度的影响实验
• 4.1 实验仪器及样品
• 4.2 实验设计及结果分析
• 第五章 AFM参数设置对扫描速度的影响实验
• 5.1 实验仪器及样品
• 5.2 实验过程
• 5.2.1 扫描频率的影响
• 5.2.2 设定值（Setpoint）的影响
• 5.2.3 积分增益和比例增益的影响
• 5.3 实验结果分析
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 参加科研情况说明
• 致谢