扫描质子微探针扫描系统优化与分辨率测量

介绍了中国科学院上海应用物理研究所扫描质子微探针(Scanning Proton Microprobe,SPM)扫描线圈的改进与系统扫描分辨率的测试,设计了匝数可调的空心马鞍形扫描线圈,通过以单片机为核心的遥控系统来实现线圈匝数的调节和线圈的过载保护;给出了改进后SPM的扫描图像分辨率的测量计算方法以及测量结果,并初步研究了四膜虫和单颗粒大气气溶胶的元素分布。

基于精密探针扫描的焊接螺母螺纹强度分析

针对螺纹强度等级为8.8级的焊接螺母拧紧时出现滑丝问题,通过建立模型将焊接螺母拧紧过程进行简化,分析拧紧力矩小于理论拧紧值,且实验表明通过增加其强度等级仍无法解决滑丝问题。采用精密探针对配合的螺纹进行扫描,分析内外螺纹配合完整螺牙真实情况,扫描显示:拧紧时螺纹光段与尾牙进入焊接螺母内,完整螺牙不足3个,螺纹副提前进入屈服阶段,解释了滑牙的根本原因。通过对扫描后螺纹牙型分析,提出保证4个完整牙数、将焊接螺母厚度增加1.4 mm的最优解决方案,满足滑牙扭矩实验要求,极大地降低了设计更改成本。

扫描探针显微术SPM标准化现状研究

本文结合扫描探针显微术(Scanning Probe Microscopy,SPM)的专业性与多样性和标准化工作的要求,初步构建了符合领域发展的三维架构的SPM标准体系。接着,研究了SPM通用基础、关键部件/产品与应用检测方面的相关国家标准技术内容,说明当前SPM标准化与标准体系的建设情况。最后,在当前技术与产业状态下,提出以实现量值统一、接口兼容、质量可评价、结果可比较为目标,宜重点开展SPM性能指标检验标准、SPM成像质量的调整与评价方法标准、共性的SPM应用标准或指南标准等三方面的工作,完善我国SPM标准体系。

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。

基于干式制冷的低温扫描探针显微镜研究进展

21世纪以来,扫描探针显微镜(scanning probe microscope,SPM)在微纳尺度形貌表征、物性测量及微纳加工等领域发挥着越来越重要的作用.为了使扫描探针显微镜获得更稳定的运行环境、更高的能量分辨率,人们研发了具备超高真空(ultra high vacuum,UHV)和低温(low temperature,LT)环境的SPM系统(UHV-LT-SPM).目前,大多数的UHV-LT-SPM系统通过向连续流式低温恒温器或低温杜瓦中输送液态氦-4(4He),使SPM的温度达到约4.2 K.然而由于4He元素在自然界中含量低且因需求日益增长,导致液氦价格急剧飙升,严重影响到了4He相关低温设备的正常运行.为应对上述问题,干式制冷技术成为新一代低温技术的发展方向.在此背景下,将干式制冷技术与扫描探针显微镜相结合,搭建干式低温扫描探针显微镜,成为了目前扫描探针仪器领域的研究重点之一.本文主要从扫描探针显微镜系统设计、降温设计、减振方法以及其设备性能等方面,介绍目前已经报道的几种干式LT-SPM系统.最后总结了干式LT-SPM系统目前所遇见的问题和挑战,探讨了该技术未来的发展方向.

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。

扫描探针显微技术线上线下混合式教学探索

扫描探针显微技术是一门讲授扫描探针显微镜理论知识和实践操作的课程。该课程通过理论教学,促使学生扎实掌握不同类型扫描探针显微镜的基本构造和原理;通过实践教学,使学生加深对扫描探针显微镜功能的理解,培养学生的动手能力和思维能力。在国家提倡线上线下混合式教学的背景下,以扫描探针显微技术课程为例,探索开展线上线下混合式教学的路径,以期为相关课程的教学改革提供借鉴。

原位电化学扫描探针显微镜技术在电催化领域的应用进展

在电化学界面,电催化过程通常包括电子转移、吸附和脱附、静电相互作用、溶剂化及去溶剂化等多步过程,深入理解电催化反应机理极具挑战性.对纳米结构电化学界面(电极)处电催化过程的深入理解十分有助于阐明电催化反应机理和设计高性能电催化剂材料.电催化活性通常与电催化剂表面局域化的活性位点密切有关.在反应条件下,电催化反应过程的研究极大依赖于高分辨表征技术.经典的宏观电化学表征方法仅可以提供不同界面位点的平均信息,很难分辨一些特殊结构位点(如缺陷、晶界、边缘位点)的相关重要电化学信息.原位电化学扫描探针显微镜技术,包括电化学扫描隧道显微镜(EC-STM)、电化学原子力显微镜(EC-AFM)、扫描电化学显微镜(SECM)及扫描电化学池显微镜(SECCM),能够在纳米及原子尺度研究电催化反应过程,弥补了宏观表征方法的不足,为探究构效关系和解析电催化反应机理提供了机遇.本文介绍了各种扫描显微技术的基本原理、特点及优劣势,并且概述了各项技术在电催化领域研究的重大进展.EC-STM和EC-AFM能够原位表征电催化过程中的纳米尺度表面结构演变及吸附/脱附过程,但无法直接测量局部电化学活性(法拉第电流).通过SECM和SECCM可以检测微区电化学信号,并获得电化学通量和电化学反应动力学信息,可作为EC-STM和EC-AFM的补充技术.结合二者的优势,进一步介绍了双探针结合技术(SECM-AFM,SECM-STM,SECM-SICM及SECM-SECCM)的原理和关键电催化应用.随后,从揭示构效关系、结构演变/稳定性、反应物或中间物的吸附、反应路径和选择性等角度,总结了这些原位电化学扫描探针显微镜技术在电催化领域(析氢反应、氢氧化反应、析氧反应、氧还原反应及CO_(2)还原反应)的最新研究进展.最后,对原位电化学扫描探针显微镜技术在电催化领域研究的挑战及未来发展进行了展望.

“针尖下的实验室”——扫描探针探测与调控铁电畴及其微观物性

铁电和多铁材料作为未来高性能信息媒介引起广泛关注.其中铁电畴的形态及演化特征可显著影响材料电导、光伏、磁电耦合等诸多物理性能以及器件功能,尤其是新奇拓扑畴带来诸多新颖物性,使得通过畴调控方法设计材料及器件性能成为可能.深入理解铁电畴及其微观物性调控规律有望为后摩尔时代信息技术带来新的器件设计方案.本文主要介绍通过多功能扫描探针显微镜研究铁电和多铁材料的微观畴结构和相关物理性能,及其调控规律和机制,并在此基础上构筑新原理信息器件.

扫描探针显微镜与外接电场联用技术在本科教学中的应用探索

扫描探针显微镜是表征材料形貌特征、电学、力学、热学、磁学等物理性质的重要测试仪器之一,已列入很多工科院校仪器分析方法相关课程中。扫描探针显微镜具有开放性高、可改造能力强的特点,在实践教学中不仅向学生展示扫描探针显微镜自身的功能及应用领域,而且将扫描探针显微镜与外接电场联用,实现原位表征材料在外接电场调制作用下物理性质的变化。通过实践教学,一方面激发学生对仪器改造强烈的好奇心;另一方面为学生在材料性能分析与表征方面提供一个开放性思路,为后续的科学研究提供强有力的理论和实践的支持。

悬臂梁式扫描微波探针设计

微波芯片的高度集成化对扫描微波成像技术提出了新的挑战,设计了一种结构简单、辐射效率高和耦合低特性的悬臂梁式扫描微波探针。通过建立探针三维有限元数值模型,在不同微波频率和不同探针结构下分别研究了探针针尖倏逝电场分布。有无屏蔽结构的探针针尖与样品间的电场分布表明,屏蔽层有效降低了悬臂梁下方非针尖部分微波信号的辐射,悬臂梁—样品的寄生电容显著减小,且在多个工作频率段具有高空间分辨与高辐射效率的特性。设计的探针满足微波芯片对高频、高空间分辨扫描微波成像的需求。

靶向颗粒酶B分子影像探针的研究进展

颗粒酶B作为一种免疫细胞肿瘤杀伤活性相关的生物分子,可以为恶性肿瘤免疫治疗疗效评估提供重要信息。目前相关分子探针都是基于颗粒酶B的特异性识别序列设计,按照不同的成像原理,可将其分为化学发光探针、荧光探针、正电子发射断层扫描探针。三种探针均具有良好的颗粒酶B靶向能力和实时成像的特点。但是各类探针也存在体内不稳定、易受体内其他环境影响等不足,未来仍需要进一步探究改进。该文对靶向颗粒酶B分子探针的特点和应用进行总结,以期为后续研究提供理论参考。

微区扫描电化学测试技术原理及其应用进展

微区扫描电化学测试由于其独特的检测手段被广泛运用。本文综述了扫描振动电极技术(SVET)、扫描开尔文探针技术(SKP)、电化学阻抗谱技术(LEIS)、扫描电化学显微技术(SECM)四个微区扫描电化学测试技术的原理。并总结了微区扫描电化学测试技术在腐蚀、生物科学扫描、界面反应和能源方面的发现与应用。微区扫描电化学技术与传统电化学测量技术、扫描电镜技术等相结合,将有助于更深入地理解电化学行为,为材料、生物、能源等领域研究取得新突破提供技术支持。

基于互联网的扫描探针显微镜远程控制研究

在Internet信息传输的基础上 ,实现了数字化SPM的远程控制。用户首先在连接SPM的服务器上远程登陆 ,并取得不同的控制权。在得到主要操作人、协作者或旁观者的权力后 ,分别能远程直接控制SPM的全部参数、部分参数 ,或不能控制参数。

石英音叉扫描探针显微镜

石英音叉是一种谐振频率稳定、品质因数高的时基器件,其音叉臂的谐振参数(谐振振幅和谐振频率)对微力极其敏感。利用石英音叉对外力的敏感性,与钨探针结合,构成一种新型的表面形貌扫描测头。该测头与xyz压电工作台结合,利用测头音叉臂谐振频率对扫描微力的敏感性,研制基于相位反馈控制的扫描探针显微镜。首先介绍石英音叉测头的构成、工作原理和特性测试,以及由该测头构建的扫描探针显微镜的结构和测试、分析。通过对测头和系统的测试结果分析,系统达到1.2 nm的垂直分辨率,并通过对一维栅的测量,给出扫描获得的试样表面微观形貌图以及相位图,证明系统的有效性。另外,由于采用大长径比的钨探针,该系统具有测量大深宽比微器件表面轮廓的能力。

表面轮廓测定用扫描探针测头研究

利用压电聚偏氟乙烯(PVDF,Polyvinilidene fluoride)薄膜和压电微音叉(Micro-fork),分别与钨探针结合,构成了三种新型的表面轮廓扫描测头。该新型测头与x-y压电工作台结合,采用与TM-AFM(Tapping mode atomic force microscope)相同的工作原理,构成了扫描探针显微镜。分别介绍了这些测头的构成及特点,给出了所构成测量系统所获得的试验结果,证明了这几种新型扫描测头的有效性。

扫描探针显微镜下微纳结构深度测量的校准方法（英文）

扫描探针显微镜(SPM)是微纳结构三维测量中的一项重要技术。然而,在测量过程中台阶或沟槽样品的边缘附近会出现不准确的轮廓,这就造成了深度测量的精度损失。为了避免深度测量的精度损失,分别建立了机械探针和光学探针的两个分析模型,描述了不准确轮廓、样品深度和探针形状之间的耦合关系;在此基础上,提出了一种具有良好精度的深度测量标定方法。与现有的国际深度测量标准(W/3规则)进行比较,该方法提供了一个明确的边界来确定测量结果是否有效;此外,它还可以指导用户在执行测量之前选择适当的探针。

扫描探针显微镜的最新技术进展及应用

本文在讨论SPM基本原理和应用的基础上,详细介绍了近期SPM的最新技术进展和成像模式以及拓展的应用领域,使我们能对SPM有一个全新的认识和了解,以便把它们更好地应用到研究领域中。

扫描探针显微镜培训与开放管理

从实验室扫描探针显微镜的平台管理模式、仪器介绍与运行情况分析出发,针对扫描探针显微镜培训人员的选拔、培训的时间安排、培训的基本内容、培训的方式方法、其他功能的培训方法等多个角度对扫描探针显微镜的培训与开放管理进行了全面的分析,提出了扫描探针显微镜培训的新方法与管理新理念,加深学生对扫描探针显微镜的理论认识,加强同学们的动手能力,提高仪器的使用效率。

扫描探针显微镜在胶原纤维精细结构研究中的应用

作为一种新型的微区分析仪器 ,扫描探针显微镜已迅速普及和应用到了各门学科 ,而在生物领域的应用则相对比较落后。本文简要介绍了扫描探针显微镜这一新型表面测试技术在猪皮胶原精细结构研究中的应用方法 。