原子力显微镜-扫描电子显微镜共定位表征系统的研发与应用

微纳加工过程中,常有样品需要进行聚焦离子束(FIB)溅射、切割,扫描电子显微镜(SEM)以及原子力显微镜(AFM)表征,而这三类仪器都需要将样品固定在样品台上才可测试,固定不佳会影响表征结果.但固定好的样品在不同仪器之间转移、拆卸、再固定的过程中极易受到破坏.基于以上问题,设计了AFM-SEM-FIB样品共定位系统,可实现样品在此三种仪器之间的无损转移及共定位,避免珍贵样品破坏及目标丢失,以及解决AFM扫描无法控制方向、迅速调整位点等问题.在微纳表征中有优异的表现,系统已被开发成产品并量产销售.

基于光束偏转法的原子力显微镜探针一致性装配系统研究

为解决原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)系统更换探针后光路调整复杂耗时、精度不足的问题,本文首次提出通过精密控制探针与探针夹装配位置来实现更换的探针相对AFM系统原光路位置的一致,进而实现免去AFM系统换针后调整光路步骤。该系统的光路一致性组件采用光束偏转法对探针位置与偏转进行放大与监测,并使用高精度位移与角度调节平台进行探针相对于探针夹的方位调整。通过实物搭建对探针一致性效果进行了验证,并对紫外光(Ultraviolet,UV)胶水固化过程导致探针位置偏移影响;探针不同偏移量时产生的探测器噪音对AFM系统成像质量影响进行了系统分析。实验结果表明:经由该系统装配的探针平均位置精度接近1.1μm;并且在AFM系统中更换一致性探针仅需8 s。该系统实现了高精度且质量稳定的探针一致性装配,极大地简化了AFM系统重新校准光路的操作步骤,其与自动换针装置配合可有效提升工业计量型AFM的操作与测量性能。

高长径比探针在高分子纳米纤维膜原子力显微镜扫描上的应用

原子力显微镜技术是用于表征表面纳米级形貌的一种重要手段,对于纳米纤维膜等聚合物表面分析具有一定的优势。本文详细叙述了原子力显微镜的基本原理及操作步骤,研究了扫描模式、测试参数、探针类型等因素对较大粗糙度的纳米纤维膜测试结果的影响。结果表明,高长径比探针比常规探针更能真实的反应表面的形貌信息。

深度学习图像识别辅助原子力显微镜单细胞力学特性精准高效探测

目的原子力显微镜(AFM)的出现为生命科学研究提供了强大工具,特别是AFM压痕实验技术已成为细胞力学特性探测的重要方法,从单细胞尺度为生理病理活动过程带来了大量新的认识,是对传统生化集群平均研究方法的有力补充。然而现有AFM压痕实验技术存在着依赖人工、效率低下等不足,严重制约了其在生命科学领域的实际应用。本文通过将光学显微成像自动目标识别技术与AFM压痕技术结合,建立了单个游离态细胞及聚团生长细胞的力学特性精准高效测量方法。方法利用YOLO深度学习算法识别出光学图像中细胞的中心部位,并通过嵌入视觉转换器(ViT)模块的双UNet神经网络模型对细胞边缘部位进行精确分割,同时采用模板匹配算法对光学图像中AFM微球探针进行定位,在此基础上自动确定AFM探针上的微球针尖与细胞不同部位之间的空间位置关系,进而对细胞中心部位和边缘部位的力学特性进行快速测量。选取HEK 293(人胚胎肾细胞)和HGC-27(人未分化胃癌细胞)两种细胞进行验证实验,并利用Hertz模型对获取的力曲线进行分析以得到细胞杨氏模量。结果在深度学习光学图像自动识别导引下可将AFM探针准确移动至细胞不同部位(中心和边缘)进行力学特性测量,同时实验结果表明,本文提出的方法不仅可对单个游离态细胞进行可靠测量,也适用于聚团生长的细胞。结论深度学习图像识别在辅助AFM单细胞力学特性精准高效探测方面具有巨大潜力,将深度学习图像识别与AFM结合有助于发展面向生物医学应用的高通量单细胞力学特性测量方法。

真空调频原子力显微镜高精度扫描器设计与校准

原子力显微镜(AFM)是一种表征样品表面的物理化学信息的精密仪器,AFM高精度扫描器是整个测量与表征系统的核心部件,其性能直接影响整个测量系统的性能,因此对原子力显微镜高精度扫描器的研究具有重要意义。介绍了调频原子力显微镜(FM-AFM)、AFM精密扫描平台以及扫描器的基本原理,提出了更为精确的扫描器设计模型,并将根据真空FM-AFM实际需要设计的扫描器搭载到自主研发的超高真空AFM系统中进行测试,结果表明了设计模型的精确性。随后,根据实验测试结果进行了相应的校准,提出了一种基于图像进行非线性校准的简易方法。最后,对云母样品表面形貌进行了测量,得到了云母台阶。

间歇模原子力显微镜扫描探针的受迫振动解

提出了一个间隙模原子力显微镜全动态工作的模型 ,用参数变换和模式展开方法 ,得到了具有粘滞阻尼和分段线性相互作用力的扫描探针的受迫弯曲振动微分方程的分析解 ,间歇模原子力显微镜扫描探针的受迫振动解 。

间歇模原子力显微镜扫描探针的非线性振动(英文)

提出了一个用于描述间歇模原子力显微镜扫描探针全动态工作的非线性受迫弯曲振动模型 ,这个模型考虑了一个附加于扫描探针上的质量和任意类型的探针 样品表面间的非线性相互作用力 .用参数变换和模式展开方法求得了间歇模原子力显微镜扫描探针非线性受迫弯曲振动的解 。

基于栅格节距中心峰值检测的扫描探针显微镜校准方法

为了解决扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,SPM)现有校准方法复杂程度高且存在局限性的问题,提出了一种基于二维标准微尺度正交栅格的SPM校准方法,通过对扫描获取的栅格图像进行互相关/卷积(Cross-correlation/Convolution,CC)滤波,实现对栅距中心坐标的峰值检测。校准的运动几何误差包括x轴和y轴位置偏差Δ_(x)和Δ_(y)、沿x轴和y轴扫描的直线度偏差δy和δx以及两轴之间的正交性偏差γ_(xy)。根据x轴和y轴扫描像素数、扫描范围、标准栅格计量检定节距平均值、栅距平均值计算得出校准因子C_(x)和C_(y)。采用标称节距为10μm的正交栅格样板对原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)进行校准实验,结果显示C_(x)和C_(y)分别为0.925和1.050,γ_(xy)为0.015°,该台AFM的校准扩展不确定度为0.33μm(k=2.56)。研究成果对于推动SPM校准标准文件的具体实施和执行具有积极意义,并为SPM仪器研制及性能评估提供了技术参考。

扫描探针显微镜旋转样品台的开发及应用

使用扫描探针显微镜对各向异性材料进行面内方向表征测试时,需进行样品的原位旋转,但目前并没有成熟的解决方案。因此,基于扫描探针显微镜研发了一种多层结构的原位旋转样品台及定位方法。配合定位片完成1次定轴心操作后,更换新样品或改变同一样品测试位置,均无须再进行繁琐定位和调整,大幅度提高了测试效率。由于引入了定位片,定轴心操作无需对样品进行标记或专门寻找具有明显特征的特殊观测点作为参照,增强了样品的普适性。此外,使用该旋转台对PbTiO_(3)薄膜的面内、面外压电响应进行表征,并重构了其三维铁电畴,使电畴信息分析更为直观。

用于原子力显微镜的qPlus探针的扫描电镜表征

基于q Plus探针的原子力显微镜有更高的空间分辨率,但其工作原理有别于传统的悬臂梁探针,结构也更加复杂,其探针尖端机械振动的振幅和方向是影响实验结果的核心问题。通常通过锁相放大器直接测量到的是来自音叉的压电电流,而不是针尖的机械振动本身。本文提出了一种借助扫描电子显微镜在实空间实时观测q Plus探针振动状态的方法,在实验上得到了在压电陶瓷激励下,探针尖端振动的方向和振幅等要素,针尖振幅与激励电压呈线性关系,针尖机械振动的共振频率与压电电流的共振频率一致,符合理论预期;然而实验观察到的振动方向却接近于水平方向。本文的研究结果对优化q Plus探针结构,提升性能提供了参考。

基于原子力显微的多模式扫描探针显微镜

扫描探针显微镜是目前世界上分辨率最高的显微镜之一,也是纳米技术研究的主要工具。本文在分析原子力显微镜工作原理的基础上,探讨多模式扫描探针显微镜的相关功能,并对扫描探针显微镜的发展前景进行展望。

高速大扫描范围原子力显微镜系统的设计

针对目前高速扫描型原子力显微镜(AFM)主要是限于物检测且扫描速度和扫描范围均有待提高,提出了一种高速原子力显微镜结构设计方案。在压电陶瓷致动器驱动的柔性铰链结构式位移台的基础上,构建了AFM大范围扫描器,使原子力显微镜在x-y扫描方向的运动范围达到了100μm×100μm。通过傅里叶频谱分析,计算获得了AFM扫描器常用的三角波驱动信号和正弦波驱动信号的高次谐波特性及其对AFM高速扫描成像的影响程度。为了消除在扫描运动过程中的机械自激振荡,提出了将正弦波信号作为高速扫描的驱动信号,行扫速度达到50line/s。在正弦波驱动的基础上提出了一种基于位置采样的图像获取方法,有效地减小了AFM扫描器的非线性误差造成的图像畸变现象。

压电探针应用于原子力显微镜液体成像的研究

研究了采用微悬臂梁上集成的ZnO压电薄膜作为微驱动的探针的直接激振方法，比较了间接激振和直接激振方法下探针在液体中的振动性能，以标准生理溶液中的海拉细胞为样品，对原子力显微镜在液体环境下轻敲模式的成像性能进行了实验研究．研究表明，采用压电探针的直接激振方法在探针振动的幅频曲线中仅有单一谐振峰，可以避免在压电陶瓷管激振方法下由液体振动造成的寄生谐振峰，因此使用压电探针不仅提高了探针振动频率的控制精度，而且减小了针尖对样品的损坏，还提高了仪器的带宽和成像速度．对于512×512点阵和60μm×60μm范围的图像，使用该方法可将采集速度由原来的2～3min／帧提高到15-20s／帧，并且扫描速度的提高对原子力显微镜在动态过程中的研究有着重要的参考价值．

双探针原子力显微镜视觉对准系统

传统的原子力显微镜(AFM)受针尖形状和放置方式的影响很难测量线条的宽度和两个侧壁的形状,故本文提出采用双探针对顶测量方案来消除AFM针尖形状对测量结果的影响。介绍了一种基于机器视觉的双探针原子力显微镜对准系统,该系统将两个探针接触到一起,实现了双探针在三维方向上的对准。系统采用具有亚微米级分辨率的镜头,配合高分辨率的CCD来获得探针的清晰图像,用于在水平和垂直两个方向实时监控双探针的运动情况。采用基于石英音叉式的自传感自调节的原子力探针,无需外加光学探测系统,缩小了系统体积,避免了杂散光对视觉对准系统的干扰。最后对针尖进行了亚像素边缘提取,精确地获取了探针之间的相对位置,实现了亚微米级的双探针对准(1μm以内)。该结论由探针之间距离与幅度/相位曲线得到了验证。

绿茶多糖的扫描电镜制样新方法及原子力显微镜观察

利用扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对绿茶多糖及酶解绿茶多糖试样进行显微成像,得到颗粒状或由单个颗粒聚集成的形貌结构。结果表明:改进制样方法的扫描电镜观察结果与原子力显微镜成像基本一致,说明了改进后的扫描电镜制样方法是一种简单有效的方法。实验结果还在一定程度上解释了绿茶多糖经酶解后其微观形态的变化情况。

适用于原子力显微镜先进扫描模式的学习控制系统

原子力显微镜(AFM)是进行纳米测量和操作的一种重要工具.针对原子力显微镜系统,论文提出了一种基于学习控制的先进扫描模式.具体而言,首先构造了一种适用于AFM的学习控制系统,它由对于扫描管动态特性的最优逆补偿环节和对于样品表面特性的学习算法两部分组成.然后,针对测量过程中扫描线之间的偏移,通过将常见的比例-积分控制算法与这种学习控制相结合,实现了一种基于学习算法的先进扫描模式.论文将这种模式应用于周期性样品来测试其性能,仿真和实验结果表明它可以显著提高测量的速度和精度,同时将样品与探针针尖的距离控制在一个合理的范围之内,以避免损坏样品或探针.这种先进扫描模式可以应用于对快速生物过程的实时监测,同时也可以用来完成重复刻写等纳米操作.

基于硅悬臂高阶谐振的动态原子力显微镜的快速扫描

利用原子力显微镜(AFM)硅悬臂器件具有多阶谐振模态的特性,提出了基于硅悬臂高阶谐振特性构建动态AFM来实现快速扫描的方法,并研制了可工作于一阶模态和高阶模态的AFM。介绍了高阶谐振AFM系统的基本结构和工作原理,从理论上证明了利用硅悬臂梁高阶谐振特性实现快速扫描的可行性。以自制的AFM为研究对象,分析了影响动态AFM扫描速度的主要因素,对系统各模块的响应时间进行了分析、测试,并通过实验证明了AFM在二阶谐振模态下的稳定时间明显小于一阶谐振模态下的稳定时间。最后,分别用一阶、二阶谐振模态对光栅试样在同一区域的表面形貌进行了扫描测试,测试数据表明:在相同条件下,AFM的扫描速度在二阶谐振模态下约是一阶模态下的3.3倍。理论分析和实验结果证明了利用高阶谐振探针提高AFM扫描速度的可行性和有效性。

扫描电子显微镜与原子力显微镜技术之比较

SEM和AFM技术是最常用的表面分析方法。本文介绍了SEM和AFM两种技术的原理,描述了这两种技术在样品形貌结构、成分分析和实验环境等方面的性能,比较了两种技术的特性和不足,充分利用两种技术的互补性,将两种技术结合使用,有助于更加深刻地认识样品的特性。

原子力显微镜探针批量制备工艺分析

为实现低成本原子力显微镜(AFM)探针的制备,开展了基于6英寸(1英寸=2.54 cm)绝缘衬底上的硅(SOI)的AFM探针制备方法的研究,实验分析了采用KOH湿法腐蚀纳米硅针尖的时间对针尖形貌的影响,给出了纳米硅针尖的缺陷类型以及产生缺陷针尖的原因,同时针对深硅干法刻蚀过程中散热不均的现象,提出采用导热系数高的黏接材料来改善散热问题。实验结果表明,基于6英寸SOI制备的AFM探针悬臂梁厚度偏差为±0.5μm,成品率大于90%,对制备的自锐式AFM探针与商用AFM探针进行了测试对比,自制AFM探针的扫描质量达到了当前商用探针的水平,满足形貌表征的需求。

电化学腐蚀制备原子力显微镜探针

研究了实验室条件下采用电化学腐蚀方法制备原子力量微镜探针的工艺及实验参数对探针腐蚀精细程度的影响。实验设备虽然简单,但能制备出实用的探针。在制备过程中变量较多,可操作性强,使学生能深刻理解探针与样品表面相互作用过程,并对原子力显微镜的应用有初步的了解。