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扫描探针显微术中振动的分析及其应用

陈津平  
【摘要】:振动是扫描探针显微术中的重要研究课题。本文围绕扫描探针显微镜 (SPM)对外界振动的要求、外界振动对 SPM 工作表现的影响、振动的补偿方 案、利用 SPM 原理进行微振动测量等方面展开理论与实验研究。主要工作包括: 1、 对 SPM 的关键结构,针尖-样品副,进行理论分析。针对应用广泛的悬臂梁 型 SPM,建立其静态与动态力学模型。在本课题远远低于 10kHz 的振动频率 研究范围内,确立悬臂梁模型为简谐弹簧振子,忽略低频振动在悬臂梁上的 空间传播效应,从而得到针尖-样品副的点质量模型。 2、 构建 SPM 镜体振动测量系统,采用激光测振系统,以 BK 振动台和 AWG2021 任意波形发生器构成激振系统。对 SPM 进行振动响应分析实验,确定本文 研究的频率范围是 0 - 100Hz。 3、 定义 SPM 抑振系数为特定振动频率下,外界激振振幅与针尖-样品副变化幅 度的比值。对 SPM 开环和闭环两种情况下的抑振系数进行理论分析,提出: SPM 开环状态下,抑振系数近似与激振频率平方成反比,同时受悬臂梁有效 质量、弹性系数、空气阻尼系数、针尖与样品接触弹性系数/接触阻尼系数等 因素制约。实验验证 SPM 抑振系数与外界激振振幅、样品扫描器尺寸、样 品硬度、悬臂梁长度、针尖-样品接触预应力、SPM 开闭环状态等因素相关。 4、 分析 SPM 扫描图像的形成机制,论述外界振动与针尖-样品扫描运动相互叠 加从而影响 SPM 成像的机理。实验证实: SPM 扫描速率(频率)和采样点 个数会直接影响特定频率的外界振动令 SPM 图像所产生条纹(空间周期性 起伏)的走向与分布,这是外界振动产生 SPM 图像失真的主要形式。 5、 提出了 2 种对影响 SPM 成像质量的外界振动进行补偿的方案。一种是测量 因外界振动引发的针尖-样品副的变化,将其数据用于补偿 SPM 扫描获得的 失真图像。另一种是将测量得到的因外界振动引发的针尖-样品副变化信号用 于对悬臂梁夹持端施加主动振动激励以消除针尖-样品副因外界振动而产生 的距离变化,从而实现实时振动补偿。 6、 分析微纳振动测量与传感技术的研究现状,研究 STM 微纳振动传感的机理 和结构设计,构建传感系统。探讨微弱隧道电流的检测技术,研究 STM 纳 米级振动传感系统测控电路的设计与实现。


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