原子力显微术的新方法研究及新型原子力显微镜系统研制

【摘要】： 纳米技术正在不断渗透到现代科学技术的各个领域，形成了许许多多与纳米技术相关的新兴学科，如纳米物理学、纳米化学、纳米电子学、纳米材料学、纳米生物学、纳米机械学与纳米量测学等。扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜(AFM)等是纳米技术发展的重要基础，也是纳米科技工作者必不可少的研究工具，其中又以AFM需求更大，应用领域更为广泛。本文提出卧式AFM的新思想，对其原理和方法进行系统的理论研究，在国内外率先成功研制高性能的新型AFM系统，拓展了AFM的功能和应用范畴，不仅具有重要的理论意义和科学价值，而且具有广阔的实际应用前景。 本文在全面分析扫描探针显微镜(SPM)技术，特别是AFM技术的国内外发展历史、现状及存在的主要问题的基础上，进一步揭示了AFM的原子力作用机理，着重分析了力—距离曲线的变化规律；对作用在微悬臂上的光压力和微悬臂本身的重力进行了系统的理论研究和计算分析，建立了激光束对AFM微悬臂的光压作用模型及计算公式，考察了这些因素对原子力作用机理及AFM性能的影响；提出克服或消除这些影响的理论构想，为发展新的AFM技术、研制新型AFM系统提供了重要的理论依据。 在理论研究的基础上，首次提出和发展了卧式原子力显微镜的新方法与新技术。卧式AFM探头系统的显著特色是，微悬臂重力与原子力方向相互垂直，有效地避免了重力对微悬臂及成像质量的影响，从而在设计方法上保证了AFM的性能。本文在方法上的另一创新是，发展了独特的微悬臂偏转量的光束偏转法检测系统。该系统设计有特殊的光路，结构简洁，体积小，通过多次反射提高反射臂的光程，保证了最佳的光杠杆放大比；同时，检测系统中的位置敏感元件(PSD)光敏面位于正对视线的方向，易于AFM系统的操作和观察。此外，卧式AFM克服了传统立式系统重心高、抗震性差，以及探头本身的重量可能使其沿导轨向下蠕动，从而降低系统的稳定性和重复性等缺点。为全面实现不同的微悬臂(探针)对不同的样品进行精确有效成像，我们提出了一种调整不同的成像工作点(即原子力的预设置点)的新方法，提供了微悬臂上的预设原子力载荷的计算公式。发展了卧式AFM的新型PID反馈控制理论与控制方法，为研制快速、高效、稳定、优化的反馈控制系统提供了基础。 利用上述新方法，在国内外率先研制建立了新型卧式原子力显微镜系统，主要性能 指标达到国内外先进水平。成功研制了卧式AFM探头，包括特有的微悬臂偏转量的卧 式光电检测系统、AFM成像工作点(即原子力的预设置点)的调节机构、JY}艺扫描与 反馈控制器、样品的粗调与微调机构;自行研制了高性能的PSD前置放大电路、xY扫 描控制电路和z向PID反馈控制电路系统;设计了A/DD/A控制接口，独立开发了性 能完善的 AFM扫描与控制软件系统及功能强大的图像处理软件系统。在AFM技术及 性能上的创新之处还表现在如下几个方面:提出并实现了一种新的压电陶瓷非线性的软 件校正方法;可在AFM的微探针上定量地施加不同的原子力载荷;可在探针和样品间 施加电场，以实时观察测量样品结构在电场作用下的变化规律;借助优化的机光电算一 体化设计，实现了独一无二的超高扫描效率，最大速度可达1幅图像/5秒，扫描速度优 于进口AFM(每幅图像扫描时间一般需要几分钟);利用CCD显微摄像监控系统，可 对探针一样品的进给过程和扫描状态进行实时监控。这些都是本文的卧式AFM系统特 有或首创的技术。实现了卓越的AFM性能，其分辨率达到横向0.Inm、纵向优于0.Inm， 在士1 50v的扫描控制电压下，最大扫描范围达到10娜火10泌，提高扫描电压，可进一 步扩大扫描范围。此外，作为对AFM系统功能的拓展，我们还开发了原子力曲线的测 定、基于AFM的纳米级振动测量、纳米粗糙度的定量检测和纳米摩擦力图谱的测量等 辅助功能。 利用卧式AFM系统，在物理学、化学、材料学、高分子科学、生物医学、光电子 学、微纳米摩擦学与机械学等多个领域进行了大量的应用研究工作，其中的一些实验研 究 工作是本文首次实现的，如金刚石薄膜的结晶状况分析;光电功能薄膜的形成过程研 究;纳米级台阶深度的测量等;此外，首次利用AFM对铝的阳极氧化抗腐蚀处理过程 进行系统的实验研究。上述研究工作也进一步验证了新型卧式AFM所具备的高分辨率、 大扫描范围、高图像清晰度、高重复性、高稳定性、低维护要求、便捷操作等优异性能 及广阔的应用范畴。