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纳米计量的新方法研究及双成像单元原子力显微镜系统的研制

2020-11-23阅读(1056)

纳米计量的新方法研究及双成像单元原子力显微镜系统的研制

论文摘要

纳米科技是二十世纪90年代发展起来的一门新兴学科。扫描探针显微镜（SPM）,特别是原子力显微镜（AFM）,是纳米科技研究的重要工具。利用AFM既可直接观察物质表面的纳米级形貌,也能进行一定程度的纳米加工。随着纳米技术的发展,对AFM等也提出了更新更高的要求,传统的观察型或检测型AFM向计量型AFM发展将成为必然趋势。本文提出双成像单元原子力显微镜（DIU—AFM）的新思想,对其原理和方法进行系统的理论研究,在国内外率先研制DIU—AFM系统,发展了纳米计量的新方法,拓展和提升了AFM的性能和应用范畴,不仅具有重要的理论意义和科学价值,而且在纳米技术的诸多领域具有广阔的实际应用前景。 本文阐述了SPM及几种计量化技术的国内外研究发展现状,介绍了SPM特别是AFM的工作原理及其在纳米计量方面的局限性。以AFM为例,常规的AFM系统虽然都事先进行过必要的校正,但是从计量的角度而言,采用不同方法设计和生产出来的AFM系统,再用不同的方法进行校正后,它们的性能和精度仍然是不同的。即使是同一台经过校正的AFM,随着环境条件的变化和时间的推移,其性能和测量精度也仍会发生变化。因此,普通AFM系统的测量结果缺乏计量意义。为此迫切需要发展新的计量型AFM系统,以实现真正意义上的纳米计量 本文首次提出和发展了基于DIU-AFM系统的纳米计量新思想和新方法。这一方法的核心是用两个并行设置而又互相独立的AFM成像单元,对放置于同一个XY扫描器上的标准样品和待测样品同时扫描成像,得到两幅具有相同横向尺度的样品表面形貌图。由于标准样品具有周期性结构,并且其已知的周期长度可以作为计量标准,因此,比较待测样品与标准样品的AFM图像,就可以精确获得待测样品的具有可溯源到计量标准的尺度值,从而实现严格的纳米计量。 基于上述原理和方法,我们在国内外率先研制了双成像单元原子力显微镜系统,其中特有的DIU-AFM探头,由参考单元和待测单元组成,包括一个共用XY扫描器、两个独立的AFM微探针（各自安装在Z向反馈控制器上）、两路独特的基于光束偏转法的检测光路,以及两套微探针一样品逼近机构。其次,研制了高性能、高精度、高速度的微纳米扫描、检测与PID反馈控制电路系统,系统采用高精度和高速度的A/D&D/A接口卡实现扫描控制信号的输出和AFM形貌信息的读入。此外,研制开发了功能完善的

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • §1.1 纳米技术的发展及应用
  • §1.1.1 纳米技术及其分支学科
  • §1.1.2 世界各国纳米技术的发展与应用状况
  • §1.2 扫描探针显微镜技术简介
  • §1.2.1 扫描隧道显微镜（STM）技术
  • §1.2.2 原子力显微镜（AFM）技术的新发展
  • §1.2.3 扫描探针显微镜（SPM）家族及其局限性
  • §1.3 本文的主要研究内容及研究成果
  • 参考文献
  • 第二章 扫描探针显微镜技术与纳米计量技术的基础理论及方法
  • §2.1 隧道效应与STM原理
  • §2.1.1 隧道效应理论
  • §2.1.2 STM的基本原理
  • §2.1.3 STM系统及应用
  • §2.2 AFM的原理与方法
  • §2.2.1 原子力作用机理
  • §2.2.2 微探针及微悬臂偏转量的检测方法
  • §2.2.3 AFM的压电陶瓷扫描控制器
  • §2.2.4 AFM仪器系统特点及局限性
  • §2.3 计量型SPM与纳米计量技术
  • §2.3.1 基于光学干涉法的计量型SPM
  • §2.3.2 双隧道单元扫描隧道显微镜（DTU-STM）
  • §2.3.3 基于SPM的其他纳米计量技术的发展
  • 参考文献
  • 第三章 双成像单元原子力显微镜（DIU-AFM）原理及新方法研究
  • §3.1 纳米计量技术的特点和要求
  • §3.2 DIU-AFM原理及其纳米计量方法
  • §3.2.1 纳米计量的尺度标准
  • §3.2.2 DIU-AFM原理
  • §3.2.3 DIU-AFM的纳米计量方法研究
  • §3.3 双成像单元的光束偏转检测法研究
  • §3.3.1 光束偏转法的光路设计
  • §3.3.2 光杠杆比的计算分析
  • §3.4 DIU-AFM中工作模式的选择
  • §3.5 基于DIU-AFM的大范围高分辨纳米计量方法研究
  • 参考文献
  • 第四章 DIU-AFM系统的研制
  • §4.1 DIU-AFM系统总体设计
  • §4.2 DIU-AFM的探头设计
  • §4.2.1 参考单元与被测单元的Z向反馈控制器设计
  • §4.2.2 压电陶瓷XY扫描器的研制
  • §4.2.3 探针—样品间距的粗调与微调进给机构设计
  • §4.3 基于光束偏转法的光电检测系统研究
  • §4.3.1 总体光路设计
  • §4.3.2 光电检测系统设计
  • §4.4 控制电路系统设计与研制
  • §4.4.1 PSD信号的前置放大电路
  • §4.4.2 Z向PID反馈控制电路
  • §4.4.3 XY扫描驱动电路
  • §4.4.4 高压控制电路
  • §4.5 计算机A／D&D／A控制接口
  • §4.6 DIU-AFM的扫描检测与图像处理软件系统研制
  • §4.6.1 扫描检测与控制软件及其功能拓展
  • §4.6.2 图像的二维与三维显示
  • §4.6.3 基于参考样品的被测样品尺寸的纳米计量软件功能
  • §4.6.4 大扫描范围的纳米计量软件功能
  • §4.6.5 图像处理的其他功能
  • 参考文献
  • 第五章 DIU-AFM系统的误差分析及性能优化
  • §5.1 压电陶瓷非线性的校正
  • §5.1.1 压电陶瓷的迟滞与非线性
  • §5.1.2 压电陶瓷非线性的硬件校正方法研究
  • §5.1.3 压电陶瓷非线性的软件校正方法研究
  • §5.2 DIU-AFM的误差分析与消除方法研究
  • §5.2.1 DIU-AFM系统中的余弦误差
  • §5.2.2 压电陶瓷残余非线性的影响及解决方法
  • §5.2.3 微探针轮廓的影响及解决方法
  • §5.2.4 扫描速度的影响及优化方法
  • 参考文献
  • 第六章 基于DIU-AFM系统的纳米计量实验技术及应用研究
  • §6.1 纳米计量的参考标准样品选择
  • §6.1.1 纳米多孔氧化铝
  • §6.1.2 纳米光栅与微米光栅
  • §6.1.3 其他参考标准样品
  • §6.2 基于DIU-AFM的纳米计量可行性实验研究
  • §6.2.1 小尺度纳米计量的可行性实验
  • §6.2.2 大尺度纳米计量的可行性实验
  • §6.3 不同参考标样对不同被测材料的纳米计量应用研究
  • §6.3.1 以多孔氧化铝为标样的纳米金膜的尺度计量
  • §6.3.2 基于多孔氧化铝的纳米陶瓷结构及尺度测定
  • §6.3.3 以2000线／mm光栅为标样的纳米氧化锌表面颗粒粒径的计量
  • §6.3.4 以1000线／mm光栅为标样对光盘表面微纳米刻痕的线宽测定
  • §6.4 DIU-AFM在大范围高分辨纳米计量中的应用
  • §6.4.1 以光栅作为参考样品的一维大范围纳米计量
  • §6.4.2 以多孔氧化铝作为参考样品的二维大范围纳米计量
  • 参考文献
  • 第七章 总结与展望
  • 附录
  • 附录A 攻读博士学位期间完成的论文情况
  • 附录B 国家发明专利和实用新型专利
  • 致谢

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