超聲原子力顯微鏡成像及分析.pdf

1、隨著納米科技的飛速發(fā)展，超高分辨率、非侵入式的成像檢測(cè)技術(shù)在生物、材料等科學(xué)領(lǐng)域中將發(fā)揮重要的作用。傳統(tǒng)基于光學(xué)、聲學(xué)原理的三維成像技術(shù)由于受衍射分辨極限的限制，分辨率較低，無法實(shí)現(xiàn)在納米尺度上對(duì)樣品性質(zhì)的精細(xì)觀察分析。掃描探針顯微鏡具備納米甚至原子量級(jí)的實(shí)空間分辨能力，但傳統(tǒng)的掃描探針顯微鏡技術(shù)僅能對(duì)樣品表面特性進(jìn)行觀測(cè)，而無法得到內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。超聲原子力顯微鏡結(jié)合超聲檢測(cè)技術(shù)的三維成像能力與原子力顯微鏡的納米尺度成像技術(shù)，可以檢測(cè)樣

2、品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并分析其彈性模量、剛度等力學(xué)特性。本文圍繞超聲原子力顯微鏡系統(tǒng)構(gòu)建、綜合成像實(shí)驗(yàn)測(cè)試、理論分析及有限元仿真，主要進(jìn)行了以下幾方面研究工作：
　　 (1)結(jié)合原子力顯微鏡懸臂梁動(dòng)態(tài)特性基礎(chǔ)理論，推導(dǎo)分析了超聲原子力顯微鏡測(cè)量樣品力學(xué)特性的方法；通過波的傳播理論，給出了超聲波穿過樣品后，由于內(nèi)部嵌入其他材料而引起的理論上的振幅和相位變化。
　　 (2)搭建了外接信號(hào)發(fā)生器激勵(lì)、鎖相放大器處理的原子力聲顯微鏡系統(tǒng)，

3、以及商用原子力顯微鏡自身的信號(hào)發(fā)生器激勵(lì)與鎖相環(huán)處理的超聲原子力顯微鏡系統(tǒng)，并且分別對(duì)這兩種顯微系統(tǒng)進(jìn)行成像測(cè)試。提出振幅成像與樣品表面形貌特征的理論聯(lián)系，揭示原子力聲顯微鏡表征樣品力學(xué)特性時(shí)表面形貌的耦合機(jī)制。詳細(xì)測(cè)試了影響原子力聲顯微鏡成像的若干主要因素，包括激勵(lì)頻率、懸臂梁振動(dòng)響應(yīng)中的干擾峰及工作環(huán)境等。
　　 (3)有限元仿真對(duì)比分析自由振動(dòng)及接觸振動(dòng)時(shí)超聲激勵(lì)原子力聲顯微鏡懸臂梁的動(dòng)態(tài)特性以及樣品受力時(shí)的剛度分布。闡明

4、樣品材料不同引起的接觸剛度變化、針尖壓入深度不同引起的作用力變化以及針尖在懸臂梁上的位置變化對(duì)懸臂梁振動(dòng)特性的影響；對(duì)比研究了不同材料、不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀、不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)位置、不同的受力大小及位置時(shí)樣品接觸剛度變化規(guī)律。
　　 綜上所述，面向超高分辨率、非侵入式的樣品內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)的需求，本文在普通原子力顯微鏡基礎(chǔ)上初步構(gòu)建超聲原子力顯微鏡系統(tǒng)，并且對(duì)若干關(guān)鍵測(cè)量影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和有限元分析。這些工作可為后續(xù)進(jìn)行原子力聲顯微