AFM纳米镊子激光测力系统设计

论文摘要

为了对纳观世界进行更加清楚的认识,充分发挥纳米技术在材料、生物、医学、信息等领域技术创新中的促进作用,纳米技术研究和纳米制造装备的研制成为各国科技竞争的焦点之一。而原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）是目前用于纳米研究最重要的工具之一。其基本原理是通过检测针尖与纳观世界的力交互作用,实现纳米尺度的形貌检测、纳米材料特性表征,以及纳米操作的精确控制。本文在国家自然科学基金计划项目“纳米结构与器件跨尺度三维操纵与互连的基础研究”的支持下,自主开发了基于AFM原理的双探针纳米镊子激光测力系统,并完成其精密标定。本文针对AFM纳米镊子在三维纳米操作过程中力检测与控制的需要,基于光学偏转法力检测的工作原理,设计了双探针纳米镊子的激光测力系统结构。设计充分考虑了激光测力系统各部分之间的相互干涉以及各部件对光路产生干涉,使其具有紧凑的空间结构,较好的检测精度和良好的操作性,并建立了该纳米镊子激光测力的实验系统。另外,本文设计了一种新型的用于AFM激光测力系统标定装置,采用该标定装置,可同时实现纳米镊子激光测力系统的法向和侧向灵敏度标定。并采用了非线性标定方法,补偿光电位置检测器非线性误差,有效的拓宽了力检测的线性范围,可实现AFM纳米镊子在三维纳米操作过程中精确的力检测与控制。最后,应用该纳米镊子激光测力系统开展了样品表面形貌扫描、探针与基底间的pull-off力和摩擦力检测的实验研究。实验结果表明,该测力系统能够精确测量实验操作过程中探针与操作对象间的交互作用力,可实现几十皮牛级精度的微小力检测。AFM纳米镊子激光测力系统的研究对精确可控的三维纳米操作与装配方法和技术的进一步发展具有一定的推动作用,对纳米科学技术的研究具有一定的实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 纳米操作系统研究现状
• 1.2.2 纳米操作工具的研究现状
• 1.3 课题来源及主要研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 课题主要研究内容
• 第2章 AFM 纳米镊子激光测力系统的设计
• 2.1 引言
• 2.2 原子力显微镜
• 2.2.1 AFM 的工作原理
• 2.2.2 AFM 的组成
• 2.2.3 AFM 的工作模式
• 2.3 AFM 纳米镊子激光测力系统工作原理设计
• 2.3.1 AFM 纳米镊子的工作原理
• 2.3.2 AFM 纳米镊子激光测力系统的工作原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 AFM 纳米镊子激光测力系统的实现
• 3.1 引言
• 3.2 激光测力系统结构方案
• 3.3 激光测力系统中构件的选型
• 3.3.1 光电位置检测器的选择
• 3.3.2 激光器的选择
• 3.3.3 透镜和反射镜的选择
• 3.3.4 微小移动台以及一些辅助器件的选择
• 3.4 激光测力系统的结构设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 AFM 纳米镊子激光测力系统的标定
• 4.1 引言
• 4.2 AFM 纳米镊子激光测力系统标定方法
• 4.3 激光测力系统灵敏度标定装置的设计与原理
• 4.3.1 柔性铰链简述
• 4.3.2 激光测力系统灵敏度标定装置的设计
• 4.3.3 激光测力系统灵敏度标定装置的有限元分析
• 4.4 AFM 纳米镊子激光测力系统的标定
• 4.4.1 标定实验系统的建立
• 4.4.2 激光测力系统标定实验
• 4.4.3 激光测力系统灵敏度非线性补偿
• 4.4.4 激光测力系统分辨率检测实验
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统性能测试及实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验系统的建立
• 5.3 表面形貌扫描实验
• 5.4 AFM 探针Pull-off 力测定实验
• 5.5 摩擦力测定实验
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢