基于多重扫描器的原子力显微镜系统研制
近年来，微纳米技术在国内外得到飞速发展，对现代社会的进步起到了至关重要的作用。扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)等超高分辨率仪器的运用越来越广泛，其在科学研究、工业生产等多方面都起到了十分重要的作用，已经成为微纳米领域里不可缺少的重要检测工具。其中AFM因其不受被测样品导电性能的限制以及优越的性能而被广泛应用于微纳米领域。 目前，世界上现有的AFM，其探头大多数都使用单一的扫描器，只能实现一种扫描方式，并且无法实现可移动选区域扫描，在技术指标和性能上都存在一定的局限性。为此，本文提出了一种基于多重扫描器的AFM扫描控制新方法，并在此基础上研制出了一套基于多重扫描器的AFM系统，该系统可以同时实现小范围、大范围以及可移动选区等多种功能，可以满足更广泛的需求。 本文分别从原理方法、系统设计以及实验技术等方面对该AFM系统进行了详细阐述，主要研究内容及取得的成果如下: 提出和发展了一种基于多重扫描器的AFM的新方法。充分结合管状压电陶瓷(PZT)和叠层式压电陶瓷(PZT)的优点，设计了新型的AFM探头，自行设计和优化了扫描及反馈控制电路系统，编写了基于多重扫描器的AFM新软件，在此基础上研制出基于多重扫描器的AFM系统，得到了理想的研究结果。 研究设计了新型的AFM探头，提出新型AFM的扫描控制新方法。该探头由AFM微探式PZT组合的方式，可实现至少四种不同的扫描控制新方法。包括管式PZT扫描反馈方式、叠层式PZT扫描反馈方式、叠层式PZT扫描与管状PZT反馈方式以及可移动选区扫描方式。该方法充分结合了叠层式PZT位移量大和管式PZT精度高响应迅速的优点，通过采用不同的扫描方式，不仅可以实现小样品的小范围高精度扫描成像，还可以在保持纳米级扫描精度的同时，对样品进行较大范围的扫描检测，实现几微米至几十微米级的单幅图像扫描范围，克服了常规AFM单一扫描方式的局限性，为实现各种微纳米样品的高精度、大范围、多扫描方式扫描成像提供了崭新的途径。 研究建立了基于多重扫描器的AFM系统，并利用本系统对多种样品进行了AFM扫描实验研究。在研究设计了基于多重扫描器的AFM探头、扫描控制及反馈控制电路、计算机硬件接口、多重扫描控制与成像软件等的基础上成功研制了基于多重扫描器的AFM系统。实验研究包括对轻小样品的小范围高精度扫描、大范围小起伏结构样品的较高精度扫描以及大范围大起伏结构样品的扫描，同时也开展了本系统的可移动选区扫描实验，得到了良好的实验结果。实验结果表明，本文研发的基于多重扫描器的AFM系统，运行平稳并且具有稳定良好的性能，可以满足科研上在不同扫描范围以及不同精度需求下对样品的多样化检测。
原子力显微镜;多重扫描器;管状压电陶瓷;叠层式压电陶瓷;微纳米检测
浙江大学
硕士
测试计量技术及仪器
章海军
2017
中文
TH742.9
68
2018-07-12（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）