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。

真空调频原子力显微镜系统设计

原子力显微镜(AFM)作为微观领域表征物质性质的强有力工具,在科学研究中被广泛应用。现有的商业原子力显微镜的工作模式大都为调幅模式(AM-AFM),受品质因子Q的影响限制了进一步的高分辨率成像研究。为进一步提高分辨率,设计研发了调频原子力显微镜(FM-AFM),分析了影响系统分辨率的重要因素,并且设计了真空系统,以此提高探针悬臂的品质因子Q。本文对真空环境下FM-AFM的系统性能进行了实验和研究,从系统灵敏度以及测量效果等方面讨论了真空环境下FM-AFM相较于大气环境下的优越性。系统功率谱密度达到10 mHz/√Hz,系统灵敏度Δf≤0.02Hz,探针悬臂的品质因子Q达到14212,突破了原子力显微镜中的Q限制。

非接触调频模式AFM的发展及生物学应用

非接触调频模式原子力显微镜(AFM)可实现高分辨成像,其探针针尖与样品间的相互作用力非常小,能最大限度减少样品形变。本文综述非接触调频模式原子力显微镜在真空和溶液中的高分辨成像发展,并以DPPC磷脂双分子层和人类免疫球蛋白IgM为例,介绍了该系统在生物结构学研究中的应用。

大气环境非接触调频AFM检测与控制平台设计及测试

为进一步提高大气环境调频非接触模式原子力显微镜(frequency modulated non-contact atomic force microscope)样品表面形貌表征能力。本文基于大气环境光路调节系统设计了高精度驱动位移调节装置,采用多块堆叠的切向压电陶瓷实现了stick-slip高精度驱动方式,调节精度达到了2.6nm/V,其精度高于常规步进电机,使得悬臂反射率达到26%。基于该高精度位移调节装置设计,系统实现了谐振频率检测与反馈,其中共振频率f0=158.73kHz,半高宽ω=373.2Hz,品质因数Q=564,系统最小检测灵敏度达到80mHz,系统电压噪声密度约为2.32μV/Hz,系统整体噪声为253.3fm/Hz。为表征样品形貌奠定了基础。

二氧化钛表面接触电位差测试设计与分析

作为光催化剂模型材料的金红石型二氧化钛(110)结构,同时针对金红石型二氧化钛(110)提出了接触电位差(CPD)的2种测试方法,包括二次扫描法与原子追踪2D测试法。基于超高真空超低温调频原子力显微镜与开尔文探针力显微镜(UHV-ULT-NC-AFM/KPFM)测试技术,通过对探针的修饰,完成了金红石型二氧化钛(110)表面CPD的表征。实验发现由于Smoluchowski效应,二氧化钛(110)表面台阶上CPD可减少0.2 V,同时研究了CPD减少与光催化活性的关系。为后期相关研究实验奠定了基础。

氧化铝薄膜的制备与结构缺陷研究

阐述了氧化铝(AlO)薄膜4层结构与台阶结构,同时提出了薄膜中含有的2种缺陷结构。通过Ar~+溅射和退火获得氧化铝薄膜,基于超高真空非接触式调频原子力显微镜(UHV-NC-FM-AFM)测试技术,对所制作的氧化铝薄膜进行表征研究。通过对氧化铝薄膜构造与缺陷建模,结合实验分析,验证了薄膜结构和缺陷理论。缺陷结构高度为(50±20)pm,氧化铝薄膜台阶的高度约200 pm,薄膜周期结构与DFT计算理论模型中单元的大小基本一致,实验结果与理论值基本吻合,为后期蒸镀钯(Pd)实验奠定了基础。