基于平板掃描器的新型原子力顯微鏡的研制及應(yīng)用.pdf

1、納米技術(shù)已經(jīng)成為世界科技發(fā)展的潮流，極大地推動(dòng)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)及人類社會(huì)各個(gè)重要領(lǐng)域的進(jìn)步。微納米檢測(cè)技術(shù)是納米技術(shù)的一個(gè)重要方面，也是納米技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。隨著科技的進(jìn)步，微納米檢測(cè)技術(shù)不斷有新的理論、新的方法和新的技術(shù)產(chǎn)生。掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）的出現(xiàn)是微納米檢測(cè)技術(shù)發(fā)展史的里程碑，是納米技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，是納米科技工作者必不可少的研究工具。其中又以AFM需求更大，應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。傳統(tǒng)AFM因壓電

2、掃描器的橫向（X或Y向）與縱向（Z向）存在交叉耦合誤差，使得AFM在大范圍掃描中，樣品圖像失真、扭曲，只能通過軟件校正，這嚴(yán)重限制了AFM掃描范圍的擴(kuò)大。針對(duì)這種情況，本文提出了一種基于新的掃描器的新型AFM系統(tǒng)，較好的解決了交叉耦合誤差問題。 本文分別從理論方法、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面對(duì)該AFM系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新之處包括： 1．在原理和設(shè)計(jì)方面，發(fā)展和優(yōu)化了基于平板掃描器的原子力顯微鏡的新方法。這一方

3、法的顯著特色是用平板掃描器驅(qū)動(dòng)樣品掃描和用Z向反饋控制器驅(qū)動(dòng)微懸臂上下作反饋運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了XY平面掃描和Z向反饋的分離，消除了耦合誤差，從而在設(shè)計(jì)方法上保證了AFM在大范圍掃描上得到理想圖像的性能。 2?；谏鲜鲈砗托路椒ǎ?dú)立研制了基于平板掃描器的原子力顯微鏡系統(tǒng)。首先，成功研制了基于平板掃描器的AFM探頭，包括創(chuàng)新的平板掃描器，特有的Z向反饋控制器、粗調(diào)與微調(diào)進(jìn)給機(jī)構(gòu)。其次，自行設(shè)計(jì)了微懸臂偏轉(zhuǎn)量的檢測(cè)光路，研制了性能優(yōu)良的

4、平板掃描驅(qū)動(dòng)電路，PSD前置放大電路，Z向反饋控制器的PD反饋電路，系統(tǒng)采用了高速度、高精度的A/D&D/A卡實(shí)現(xiàn)樣品AFM圖像數(shù)據(jù)讀入和掃描控制信號(hào)的輸出、轉(zhuǎn)換。另外，獨(dú)立研制了功能完善的平板掃描驅(qū)動(dòng)控制軟件和圖像處理軟件系統(tǒng)。 3．在基于平板掃描器的AFM系統(tǒng)中，引入了CCD顯微攝像監(jiān)控系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)探針一樣品間的進(jìn)給過程及微探針掃描操作過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控；同時(shí)引入了XY微動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)對(duì)任意區(qū)域的定位掃描以及基于序列

5、圖像掃描和圖像拼接技術(shù)的大范圍掃描的功能。 4．對(duì)基于平板掃描器的AFM系統(tǒng)進(jìn)行了誤差分析并做出了優(yōu)化措施，進(jìn)一步提高和改善系統(tǒng)的性能。最后，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作，首先，將本文研制的基于平板掃描器的AFM系統(tǒng)幫基于傳統(tǒng)掃描器的AFM系統(tǒng)做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其次對(duì)鍍銀薄膜、有機(jī)材料CuPe、鍺量子點(diǎn)進(jìn)行了掃描實(shí)驗(yàn)，對(duì)鍍金膜的成膜過程進(jìn)行了掃描成像研究。實(shí)驗(yàn)表明，基于平板掃描器的AFM具有大范圍均勻掃描下良好的圖像對(duì)比度和清晰度，具有