超聲振動(dòng)原子力顯微鏡成像研究.pdf

1、隨著納米科技的飛速發(fā)展，迫切要求開(kāi)發(fā)能夠描述樣品表面及內(nèi)部納米材料物理特性的新方法和新技術(shù)。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。對(duì)掃描電子顯微鏡（Scanning ElectronMicroscope，簡(jiǎn)稱SEM）和透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope，簡(jiǎn)稱TEM)而言，若要對(duì)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)則通常需破壞性的樣品處理以及復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)重建，同時(shí)苛刻的真

2、空環(huán)境要求也限制了該類技術(shù)的廣泛應(yīng)用。掃描探針顯微技術(shù)(SPM)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SPM技術(shù)僅能對(duì)樣品表面特性進(jìn)行觀測(cè)，而無(wú)法得到內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。
　　 將原子力顯微鏡(AFM)技術(shù)和聲檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的聲原子力顯微鏡技術(shù)（Acoustic Atomic Force Microscopy簡(jiǎn)稱A-AFM）可以實(shí)現(xiàn)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，并分析其彈性模量、剛度等力學(xué)特性，其基本原理是在AFM微懸臂梁或樣品基底處激

3、勵(lì)產(chǎn)生頻率不同的超聲振動(dòng)，而聲波經(jīng)與樣品相互作用后攜帶了樣品特性，懸臂梁檢測(cè)到振動(dòng)信號(hào)的頻率、振幅、相位等變化并反映到所成的相位或振幅圖像上，即可對(duì)樣品材料特性及次表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行納米尺度成像。
　　 綜合各類A-AFM技術(shù)，依據(jù)其實(shí)驗(yàn)原理、條件，我們統(tǒng)稱為超聲振動(dòng)原子力顯微鏡（Ultrasonic Vibration Atomic Force Microscopy，簡(jiǎn)稱UV-AFM）。本文圍繞UV-AFM的系統(tǒng)構(gòu)建、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論

4、分析，開(kāi)展了如下研究工作:
　　 (1)在深入理解A-AFM的基本理論的基礎(chǔ)上，搭建了UV-AFM的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的UV-AFM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成像質(zhì)量更高，減小了形貌圖和振幅/相位圖由于信號(hào)延時(shí)產(chǎn)生的偏差，提高了掃描速度。在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行了激勵(lì)頻率和環(huán)境等因素的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并對(duì)一聚焦離子束(Focused Ion Beam，簡(jiǎn)稱FIB)加工的、含有特定內(nèi)部結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行成像，以驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)次

5、表面結(jié)構(gòu)的成像能力。
　　 (2)研究了表面形貌對(duì)UV-AFM的振幅成像襯度的影響。建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的針尖樣品接觸力學(xué)模型，得出了UV-AFM振幅與形貌在x方向的微分之間的比例關(guān)系，并通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證了這一理論模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)樣品的力學(xué)特性均勻分布且針尖和樣品僅發(fā)生單點(diǎn)接觸的情況下，振幅的襯度和樣品形貌在x方向的微分幾乎是一致的。而當(dāng)反向掃描時(shí)，振幅圖像的襯度發(fā)生翻轉(zhuǎn)。當(dāng)針尖和樣品發(fā)生多點(diǎn)接觸時(shí)，振幅值會(huì)增大，且仍可觀察

6、到振幅與掃描方向相關(guān)的現(xiàn)象。但是在多點(diǎn)接觸情況下，振幅的增加會(huì)掩蓋掉反向掃描時(shí)振幅翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。以上結(jié)論意味著在對(duì)樣品進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)時(shí)必須考慮形貌因素對(duì)振幅信號(hào)的影響。這有助于提高UV-AFM獲取樣品力學(xué)特性數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步探索UV-AFM成像奠定基礎(chǔ)。
　　 (3)實(shí)驗(yàn)研究了在探針激勵(lì)和樣品激勵(lì)這兩種模式下UV-AFM的探針動(dòng)力學(xué)特性和成像特性。在兩種激勵(lì)模式中，接觸共振頻率峰通常都會(huì)被雜散干擾峰所淹沒(méi)，這會(huì)給接觸共振頻

7、率的精確識(shí)別帶來(lái)困難。本文提出兩種方法來(lái)幫助精確地識(shí)別接觸共振頻率。第一種是比較檢測(cè)激光聚焦在懸臂梁自由端不同位置的情況下所獲得的動(dòng)態(tài)幅頻特性曲線;第二種是比較在兩種不同激勵(lì)模式下所獲得的懸臂梁動(dòng)態(tài)幅頻特性曲線。對(duì)探針激勵(lì)和樣品激勵(lì)這兩種UV-AFM測(cè)量模式的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明:除了激勵(lì)頻率正處于干擾頻率附近外，在樣品激勵(lì)模式和探針激勵(lì)模式下獲得的測(cè)量結(jié)果彼此相似，且兩種激勵(lì)模式的UV-AFM圖像都耦合了樣品的表面幾何形貌的影響，這對(duì)測(cè)量局部