大范围、高深—宽比扫描隧道显微镜技术研究

论文摘要

目前,在表面形貌测量领域,扫描探针测量装置是最直接、最能如实反映被测试件表面形貌的有效工具。扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope,STM）作为扫描探针显微镜家族的一员,在金属导电材料表面形貌测量领域有着广泛的应用,但其小测量范围、较弱的深-宽比测量能力这两个缺陷一直是该技术的诟病,也限制了它的应用范围,因此开展大范围、高深-宽比扫描隧道显微镜技术的研究对现代微纳测量具有重要的现实意义和工程应用价值。论文设计并构建了一套大范围、高深-宽比扫描隧道显微镜系统,并对系统进行了标定和关键技术细节的完善。新扫描隧道显微镜在测量范围和深-宽比测量能力这两个方面取得了突破,通过对测量系统各子系统的测试和优化,提高了整个系统的工作稳定性和综合性能。为了使STM具有高深-宽比测量能力,论文成功制备了99.999%纯钨材质大长-径比STM探针。通过对STM探针制备装置和工艺进行不断的改进和完善,能够稳定制备指数型轮廓、针尖半径小于50 nm、长-径比达50:1的STM探针。为了解决传统STM扫描范围小的瓶颈问题,论文设计了新的大范围扫描系统,即利用高速、高精度微动台组合成大范围的X、Y平面扫描器,大大增加了一次测量可达到的行程以及范围。利用大范围、高深-宽比扫描隧道显微镜系统对正弦光栅的测试分析和大范围方波形貌微纳结构的测试分析,得到了所测样品的表面形貌,验证了新测量系统的表面形貌深宽-比测量能力。最后,对所做工作进行了总结,并对扫描隧道显微镜技术在超精密测量方面的应用提出了建议及进一步发展的方向。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与研究意义
• 1.1.1 课题背景
• l.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 微纳结构三维复杂形貌的测量技术综述
• 1.2.2 微纳结构三维复杂形貌的测量技术评述
• 1.3 扫描隧道显微镜的概述
• 1.3.1 纳米科技与扫描隧道显微镜
• 1.3.2 扫描隧道显微镜的工作原理
• 1.3.3 扫描隧道显微镜的系统结构
• 1.3.4 扫描隧道显微镜的优缺点
• 1.4 论文主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 电化学研磨法定制大长-径比扫描探针技术
• 2.1 电化学研磨法原理
• 2.2 电化学研磨法探针制备装置
• 2.2.1 总体结构
• 2.2.2 钨丝夹持机构
• 2.2.3 钨丝对中机构
• 2.2.4 钨丝进给机构
• 2.3 探针制备装置控制系统
• 2.3.1 微小电流检测电路模块
• 2.3.2 步进电机控制模块
• 2.3.3 断电控制模块及人工断电的介入
• 2.4 大长-径比扫描探针定制试验
• 2.4.1 基本参数的确定
• 2.4.2 探针定制试验结果
• 2.5 本章小结
• 第3章 大范围、高深-宽比扫描隧道显微镜系统及其关键技术
• 3.1 测量系统组成及其关键技术
• 3.1.1 测量系统机械结构
• 3.1.2 扫描系统
• 3.1.3 数据采集系统
• 3.2 测量系统控制软件
• 3.2.1 隧道电流闭环控制
• 3.2.2 样品-探针自动进给控制
• 3.2.3 测量数据的滤波、校正
• 3.3 本章小结
• 第4章 大范围、高深-宽比扫描隧道显微镜子系统性能测试分析
• 4.1 压电陶瓷的性能测试
• 4.2 系统响应测试
• 4.3 测量环境对系统的影响
• 4.4 大长-径比探针力学及动态特性检测
• 4.5 本章小结
• 第5章 大范围、高深-宽比三维微纳形貌测量试验
• 5.1 高深-宽比正弦光栅的测试及分析
• 5.2 大范围方波形貌微纳结构的测量及分析
• 5.3 新型STM系统综合性能评价
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结及展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文