轻敲式原子力显微镜相位成像的理论和实验研究

原子力显微镜有多种成像模式,轻敲模式是最为常用的扫描方式。轻敲模式能获取样品表面的高度信息和相位信息,其中相位信息具有更多的价值,其能反应样品表面的物理性质。为了理解原子力显微镜的相位成像机理,本文分别使用振动理论和能量理论推导了相位的理论表达式,发现两种理论方法所得到的相位表达式在本质上是一致的,并由理论结果得知相位与背景耗散和激励频率直接相关。其中背景耗散品的存在会掩盖样品表面的信息,降低相位对比度;而激励频率也会对相位产生极大的影响。本文通过理论和实验分析,发现在扫描过程中存在一个使得相位对比度达到最大的最优激励频率。这些结果对于解释原子力显微镜的相位像,进而在实验中优化相位成像具有重要意义。

原子力显微镜磁驱动轻敲模式在活细胞成像中的应用研究

应用MI公司最新发展的磁驱动轻敲模式(MAC mode)对体外培养成纤维细胞系3T3细胞进行在位成像研究。分别用力常数为0.95 N/m及0.03 N/m的微悬臂进行磁驱动轻敲模式成像,并与接触模式进行比较。同时研究了固定细胞与活体细胞之间的形貌差异。结果显示,利用上述两种微悬臂探针,磁驱动轻敲模式均可获得高分辨像。与接触模式相比,磁驱动轻敲模式对活细胞的影响较小,在细胞膜表面微结构及细胞内亚结构成像方面,有明显优势。而接触模式由于其施力方式,使活细胞应力纤维应激性绷紧,更适合于对活体细胞应力纤维的成像研究。固定细胞与活细胞表面形貌存在较大差异,在生理环境下,进行活细胞检测更能了解细胞的真实状况。

状态激励轻敲模式原子力显微镜的设计与仿真

为轻敲模式原子力显微镜设计了一种激励方式,在带有状态反馈的轻敲模式原子力显微镜基础上,除去原有的外加激励信号而引入一个自动增益控制环节,用于维持状态反馈信号的幅度恒定,并将此信号作为悬臂振动的激励信号。该激励方式即为状态激励,用于轻敲模式时可称为状态激励轻敲模式原子力显微镜。采用Matlab/Simulink工具实现了对状态激励轻敲模式原子力显微镜系统的建模和数值仿真,起振曲线证明了状态激励信号能够驱动悬臂振动并调整其工作频率;逼近曲线、线扫描曲线等典型功能仿真实验证明了状态激励方式能够成功地应用于轻敲模式成像。

扫描探针声显微镜轻敲模式中相位像的反差机理

根据扫描探针声显微镜(SPAM)轻敲工作模式中探针作周期振动的特点,以及在探针与试样相接触过程中激振力和悬臂探针自由振动的阻尼力很小的假设下,解析求解了探针与试样的碰撞运动方程,得到了最大压痕深度和碰撞时间与探针半径、等效杨氏模量以及界面吸附能等之间的关系式,较直观地说明了SPAM中轻敲模式的相位像反差机理:信号的相位与试样微区的性质、探针振幅、设置点以及试样形貌等有关。并定量预计了纳米金刚石像中的相位差值72.59°,与实验测量平均值73.2°±8.2°一致。同时,合理地解释了实验得到的光学薄膜试样相位像的反差。这些表明SPAM轻敲模式的相位成像是一种纳米分辨率测量材料表面物理性质的成像技术。

轻敲模式下原子力显微镜的能量耗散机理研究

为研究原子力显微镜(AFM)在轻敲工作模式下的能量耗散机理,基于Hamaker假设和Lennard-Jones势能定律得到了原子与球体间的作用力.通过将球体与平面原子间的作用力等效为球体与平面间的粘着分布力,并结合经典弹性理论建立了一种新型的球体与平面粘着接触的弹性模型,根据所建模型得到了AFM针尖与样品表面间的粘着力随其间距的变化规律.仿真结果表明,粘着力随间距的变化曲线在AFM针尖趋近和撤离样品表面,即加载和卸载的两个过程中并不完全相同,产生了粘着滞后现象,而粘着滞后现象的出现表明AFM在轻敲工作模式中将耗散能量,因而,所建模型从理论上证实了AFM在轻敲工作模式下存在能量耗散现象.

基于DDS的轻敲式原子力显微镜探针驱动方法研究

以DDS芯片AD9833为核心,以NI6229数据采集卡的数字I/O口模拟SPI总线控制AD9833,实现了1Hz到10MHz频率范围内连续正弦信号输出,分辨率达到10-5,最小步进1Hz。数据采集卡与DDS芯片AD9833的结合为轻敲式原子力显微镜探针的驱动提供了稳定精确的正弦信号源。实验证明,此设计硬件电路结构简单,软件控制灵活,输出信号频率稳定,精确。

原子力显微镜轻敲模式下由液桥引起的能量耗散

轻敲模式下的相位像反映的是探针样品间接触分离过程的能量耗散,大气环境下的能量耗散主要由液桥引起.因此为理解成像机理,本文分析轻敲模式下液桥的形成和破碎的动力学过程,得到此种模式下的耗散能.

非共振轻敲模式原子力显微镜的研究

原子力显微镜(AFM)是在微纳尺度观测以及操纵样品的重要工具。与传统的接触模式和轻敲模式AFM相比,非共振轻敲模式AFM因为其控制力精度高并可同步获取多种机械特性等优势得到了广泛的应用。采用基于背景相减和同步算法相结合的方法搭建了一套自制的非共振轻敲模式AFM,并对位置检测电路建立了通用噪声仿真模型,优化了位置检测电路噪声,从而优化了最小可控力的精度,使其最小可控力小于50 pN。接着通过对标准硅材料栅格进行形貌表征验证了系统的成像性能,以及对复合材料的形貌、粘附力、形变等多种力学性质表征,验证了系统及成像方法的有效性。

AFM轻敲模式下扫描参数对成像质量影响的研究

针对原子力显微镜(AFM)扫描参数对成像质量的影响规律,对现有的扫描参数影响成像质量的研究进行了分析。提出了以幅值误差作为评价AFM成像质量的指标,通过实验研究了扫描参数对AFM成像质量的耦合影响。发现了扫描频率f s、积分增益I和幅值设定点S这3个扫描参数间相互影响的现象,在S低较低情况下可设置更大的f s和I,在获取高质量成像的同时,提升了测量效率,对扫描参数的合理设置提供了可靠的操作准则。

基于轻敲模式AFM的纳米振动表征方法

针对纳米振动测量方法中存在的间接性、低分辨率、低带宽等局限性,建立了原子力显微镜(AFM)的轻敲模式下探针与振动样品间相互作用的振动系统模型,采用Runge-Kutta数值积分方法分析了AFM测振技术的可行性和工作带宽。使用静电激励的双端固支纳米梁作为测试结构,采用AFM轻敲模式测试了样品的幅频响应特性。同时采用显微激光多普勒测振系统进行了比对测试,测量结果与AFM轻敲力曲线模式的测量结果相符,也表现出AFM轻敲模式的测量误差具有与测试样品相关的频率特性。

试样激励下轻敲模式原子力声显微镜的非线性动力学特性

利用Euler-Bernoulli梁理论和DMT针尖-样品作用力模型建立了试样激励下轻敲模式原子力声显微镜(AFAM)系统的动力学方程,并应用非线性动力学分析方法对AFAM微悬臂梁的振动特性进行研究。通过合理改变超声激励幅值、超声激励频率和针尖-样品初始间距等模型参数模拟得到微悬臂梁的超谐波、次谐波、准周期和混沌振动现象,采用时间序列、频谱、相空间、Poincare截面和Lyapunov指数等方法对不同非线性振动特性进行表征。通过分析不同模型参数条件下微悬臂梁针尖-样品作用力特性,探索了微悬臂梁不同非线性振动现象的产生机制。此外,研究了AFAM微悬臂梁运动的分岔特性,发现当超声激励幅值和针尖-样品初始间隙连续变化时,周期、准周期和混沌运动交替出现。研究结果对AFAM系统非线性动力学行为分析和混沌振动控制提供了理论参考。

恒撞击力轻敲模式AFM的设计及研究

在轻敲模式AFM中,利用DMT模型与光探针点衍射理论结合来检测微探针的振动,并对振动信号进行频率域分析,通过检测和控制信号中高次谐波分量使针尖-样品间撞击力保持恒定.测试实验表明,该系统具有结构简单、可测不同材料的样品和对软质材料样品损伤小的优点,其测量重复性可达1%,分辩力可达1～5nm.

一种新颖的点衍射干涉轻敲模式原子力显微镜

论述了一种新颖的原子力显微镜,它利用硅微探针的特殊结构和相关光学系统所引起的点衍射干涉现象[1]来扫描成像,因为硅微探针被用作反射型点衍射板,故光路完全共路,再结合锁相检测技术,使得该仪器抗干扰力极强且结构精巧紧凑,可适用于测试软硬不同材料样品,对软质高分子膜材料检测得到了实际的链状结构。

轻敲模式原子力显微镜相位、频移特性研究

原子力显微镜在轻敲模式下工作时,相位像相比于高度像能提供更多的样品信息,因此如何提供高分辨率的相位像成为理论和实验研究的重要内容。原子力显微镜其核心部件为微悬臂梁系统,在轻敲模式下将其简化为质量-弹簧-阻尼振动模型。采用经典振动力学理论分析该模型,可得到一种提高相位像分辨率的方法。结果表明,在探针-样品系统中,对于不同的品质因子,通过合理选择激振频率可使相位像分辨率达到最大。研究结果对操作者在实验中取得更高分辨率的相位图具有一定的参考意义。

轻敲式扫描探针显微镜

介绍了扫描探针显微镜的发展与分类;对原子力显微镜的三种工作模式的优劣作了比较;重点叙述了轻敲式原子力显微镜的工作原理;引出了轻敲式原子力显微镜应用的一种新技术——相位成像技术;最后简单介绍了由北京市中科机电设备公司于2001年9月推出的Nspm-6800型扫描探针显微镜。

AFM轻敲模式对Si基SiO_(2)薄膜粗糙度的研究

SiO_(2)薄膜作为集成电路绝缘层、光学薄膜器件以及微机电系统薄膜的重要组成部分,在器件制造中起着重要的作用。为了分析Si基SiO_(2)薄膜的粗糙度,利用原子力显微镜对Si基SiO_(2)薄膜表面进行测试,将得到的表面形貌首先进行平均滤波和图像均衡化处理,再从表面形貌、粒径累积占比、二维傅里叶分析、栅格分析和层次分析等角度分析其粗糙度。结果表明:Si基SiO_(2)薄膜二维与三维表面形貌分布相对平缓,少量突出尖端出现,突出峰的高度为3.20 nm;粗糙度与粒径累积正相关,粒径累积分布变化越集中,越均匀,表面粗糙度越小,其表面平均粒径是3.85 nm;二维傅里叶变换表示薄膜表面梯度变化,暗处较多说明表面梯度较低,粗糙度较小;其表面栅格分布规则,表面粗糙度较小;Si基SiO_(2)薄膜的平均高度为1.36 nm,高度累积占比50%,高度相对较低的表面粗糙度较小。最后得出Si基SiO_(2)薄膜的表面平均粗糙度为0.167 nm。从以上几个角度能够实现对材料表面的粗糙度的测量。为日后研究材料表面的粗糙度具有一定的参考依据。

弹簧管式压力表轻敲位移的产生及调修

弹簧管式压力表轻敲位移产生的主要原因，可归纳为零件间的摩擦和荡动两个方面。由于零件的加工不良、相互位置配合不当，以及有污物、损坏等原因，使零件间的相互运动和弹簧管的伸张或收缩受阻而产生的轻敲位移称之为摩擦轻敲位移；由于零件之间的配合间隙较大、游丝没有使上劲、固紧螺丝松动等原因而产生的轻敲位移叫荡动轻敲位移。

压力表轻敲示值变动量的原因分析和调修方法

结合实际分析了弹簧管式压力表轻敲示值变动量产生的主要原因和具体的调修方法。