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基于平板扫描器的新型原子力显微镜的研制及应用

2020-12-07阅读(263)

基于平板扫描器的新型原子力显微镜的研制及应用

论文摘要

纳米技术已经成为世界科技发展的潮流,极大地推动了现代科学技术、工业生产及人类社会各个重要领域的进步。微纳米检测技术是纳米技术的一个重要方面,也是纳米技术发展的重要基础。随着科技的进步,微纳米检测技术不断有新的理论、新的方法和新的技术产生。扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)的出现是微纳米检测技术发展史的里程碑,是纳米技术发展的基础,是纳米科技工作者必不可少的研究工具。其中又以AFM需求更大,应用领域更为广泛。传统AFM因压电扫描器的横向(X或Y向)与纵向(Z向)存在交叉耦合误差,使得AFM在大范围扫描中,样品图像失真、扭曲,只能通过软件校正,这严重限制了AFM扫描范围的扩大。针对这种情况,本文提出了一种基于新的扫描器的新型AFM系统,较好的解决了交叉耦合误差问题。本文分别从理论方法、系统设计以及实验技术方面对该AFM系统进行了研究,主要研究内容和创新之处包括:1.在原理和设计方面,发展和优化了基于平板扫描器的原子力显微镜的新方法。这一方法的显著特色是用平板扫描器驱动样品扫描和用Z向反馈控制器驱动微悬臂上下作反馈运动,实现了XY平面扫描和Z向反馈的分离,消除了耦合误差,从而在设计方法上保证了AFM在大范围扫描上得到理想图像的性能。2.基于上述原理和新方法,独立研制了基于平板扫描器的原子力显微镜系统。首先,成功研制了基于平板扫描器的AFM探头,包括创新的平板扫描器,特有的Z向反馈控制器、粗调与微调进给机构。其次,自行设计了微悬臂偏转量的检测光路,研制了性能优良的平板扫描驱动电路,PSD前置放大电路,Z向反馈控制器的PID反馈电路,系统采用了高速度、高精度的A/D&D/A卡实现样品AFM图像数据读入和扫描控制信号的输出、转换。另外,独立研制了功能完善的平板扫描驱动控制软件和图像处理软件系统。3.在基于平板扫描器的AFM系统中,引入了CCD显微摄像监控系统,有效实现了对探针一样品间的进给过程及微探针扫描操作过程的实时监控;同时引入了XY微动平台,实现了该系统对任意区域的定位扫描以及基于序列图像扫描和图像拼接技术的大范围扫描的功能。4.对基于平板扫描器的AFM系统进行了误差分析并做出了优化措施,进一步提高和改善系统的性能。最后,进行了大量的实验测试工作,首先,将本文研制的基于平板扫描器的AFM系统和基于传统扫描器的AFM系统做了对比实验,其次对镀银薄膜、有机材料CuPc、锗量子点进行了扫描实验,对镀金膜的成膜过程进行了扫描成像研究。实验表明,基于平板扫描器的AFM具有大范围均匀扫描下良好的图像对比度和清晰度,具有应用的广泛性,扫描的稳定性和重复性。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • §1.1 纳米技术概述
  • §1.1.1 纳米技术的发展现状
  • §1.1.2 纳米技术的应用
  • §1.2 微纳米检测技术的发展
  • §1.2.1 电子显微镜（EM）技术
  • §1.2.2 扫描隧道显微镜（STM）技术
  • §1.2.3 原子力显微镜（AFM）技术的发展及应用
  • §1.3 本文的主要研究内容及研究成果
  • 参考文献
  • 第二章 AFM的基本原理与方法
  • §2.1 AFM的基本工作原理
  • §2.2 AFM系统的组成
  • §2.3 微悬臂偏转量的检测方法
  • §2.3.1 常用的几种检测方法
  • §2.3.2 光束偏转法
  • §2.4 压电陶瓷扫描器
  • §2.4.1 压电效应
  • §2.4.2 压电陶瓷的推拉式控制方法
  • §2.4.3 压电陶瓷扫描器的特性
  • §2.4.4 传统压电陶瓷扫描器的类型及优缺点
  • 参考文献
  • 第三章 基于平板扫描器的新型AFM系统的研制
  • §3.1 系统总体设计
  • §3.2 AFM探头的研制
  • §3.2.1 扫描结构的选择
  • §3.2.2 平板扫描器的研制
  • §3.2.3 Z向反馈控制器的设计
  • §3.2.4 微探针的选择
  • §3.2.5 粗调与微调进给机构的研制
  • §3.2.6 光电检测系统及几何光路设计
  • §3.3 控制电路及硬件部分
  • §3.3.1 平板扫描驱动电路
  • §3.3.2 前置放大电路及PID反馈控制电路
  • §3.3.3 A/D与D/A接口
  • §3.4 软件设计与优化
  • §3.4.1 扫描控制软件的开发
  • §3.4.2 图像处理软件系统
  • §3.5 系统其它部分的研制
  • §3.5.1 CCD显微摄像监控系统
  • §3.5.2 XY微动平台的设计
  • 参考文献
  • 第四章 基于平板扫描器的AFM系统的误差分析及性能优化
  • §4.1 平板扫描器的性能优化研究
  • §4.1.1 大范围均匀扫描的研究
  • §4.1.2 扫描速度的影响及优化
  • §4.1.3 结构误差的分析和优化研究
  • §4.2 系统电路的分析及优化
  • §4.2.1 扫描驱动电路精度的分析
  • §4.2.2 其他电路部分的优化
  • §4.3 压电陶瓷的非线性及校正
  • §4.4 其它因素的影响分析
  • 参考文献
  • 第五章 基于平板扫描器的AFM系统的实验及应用研究
  • §5.1 平板扫描器与传统压电扫描器的对比实验
  • §5.1.1 多孔氧化铝小范围扫描实验
  • §5.1.2 光栅的中范围扫描实验
  • §5.1.3 光栅的大范围扫描实验
  • §5.2 金属膜的AFM测试实验研究
  • §5.2.1 镀银薄膜的纳米结构图像
  • §5.2.2 镀金膜的成膜过程研究
  • §5.3 其他材料的扫描实验
  • §5.3.1 有机材料CuPc的扫描实验
  • §5.3.2 锗量子点的AFM纳米结构图像
  • §5.4 基于平板扫描器的AFM系统的其他应用研究
  • 参考文献
  • 第六章 总结与展望
  • §6.1 研究工作总结
  • §6.2 展望
  • 致谢

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