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。

新型大扫描范围原子力显微镜的研究

研制了一种大扫描范围原子力显微镜(AFM)。设计了新的扫描驱动电路,使单幅图像的扫描范围大幅度提高;用步进电机和扫描器配合扫描,得到序列图像,序列图像拼接后获得大范围样品图像。实验结果表明,采用这一方法,在±150V 的电压驱动下,AFM 的扫描范围可增大到10 ìm?1 mm 的量级,同时保持 1 nm 量级的测试分辨力。

基于有效信号提取的白光干涉信号快速处理方法

针对白光扫描干涉术在垂直大范围扫描过程中的测量效率问题,提出了一种基于有效信号提取的白光信号快速处理方法。使用白光LED光源,建立了双峰频谱分布模型,并使用该模型进行了仿真实验,给出了不同算法在特定采样步长下所需的最小采样区间长度确定方法,在不改变测量精度的条件下减少了解算所需的数据量,并使得轮廓解算可以在采样结束前开始。针对垂直大范围扫描过程中的背景值波动问题,给出了一种基于背景集合的白光干涉信号背景分离方法,并通过与几种常见信号处理方法的比较,证明了背景值提取的完整性,有效消除了背景值波动现象对测量精度造成的影响。最后将上述方法应用于自主设计开发的白光轮廓仪,使用傅里叶变换法精确测量了U盘接口表面形貌特征。测量结果表明:从扫描开始到获得表面高度信息的总时间减少了49.02%。

Compact Scanning Tunneling Microscope with Large Scale Searching Capability for Mmultidisciplinary Applications

We present the design and performance of a home-built scanning tunneling microscope （STM）, which is compact （66 mm tall and 25 mm in diameter）, yet equipped with a 3D atomic precision piezoelectric motor in which the Z coarse approach relies on a high simplic-ity friction-type walker （of our own invention） driven by an axially cut piezoelectric tube. The walker is vertically inserted in a piezoelectric scanner tube （PST） with its brim laying at on the PST end as the inertial slider （driven by the PST） for the XZ （sample plane） motion. The STM is designed to be capable of searching rare microscopic targets （defects, dopants, boundaries, nano-devices, etc.） in a macroscopic sample area （square millimeters） under extreme conditions （low temperatures, strong magnetic elds, etc.） in which it ts. It gives good atomic resolution images after scanning a highly oriented pyrolytic graphite sample in air at room temperature.