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高精度AFM的研制及在机械和小分子结构中的应用

韩贤武  
【摘要】: 20世纪80年代,随着扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,简称STM)和原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,简称AFM)等新型表面分析仪器的出现,纳米技术得到了飞速的发展。STM和AFM凭借其原子量级的精度,使其在材料科学、生物学、纳米机械学和小分子结构领域得到了广泛的应用。随着纳米技术的发展,作为纳米检测和加工重要工具的STM和AFM在纳米尺度的观察和微加工领域正发挥着越来越重要的作用。小分子结构的尺度一般在0.5nm左右,而目前国内外商用AFM的横向分辨率一般为0.2nm,纵向分辨率一般为0.05nm,因此商用AFM表征小分子结构的难度很大。本文在国家“985工程”重点学科建设和院基金项目“新型STM微加工系统、方法及技术预研”的资助下,对原子力显微术、高精度AFM.IPC-208B型机的研制及其应用进行了研究,主要做了以下几个方面的创新工作: ①高精度原子力显微镜AFM.IPC-208B型机镜体的设计及其实现:该镜体主要由步进电机、压电陶瓷、微悬臂、变速系统和样品台组成,采用机械传动和压电陶瓷组合结构来实现大范围纳米级传动、定位和扫描。在全面分析噪音和振动形成机理的基础上,提出了新的减振降噪技术措施:采用减振工作台、弹簧悬挂和合成橡胶缓冲垫等组成综合减振措施以达到减振的目的;为了提高仪器的精度,扩大测量与加工范围,镜体的工作平台设置了13个自由度:其中6个自由度由上、下压电陶瓷提供,4个自由度用于驱动工作平台沿X、Y、Z1、Z2向运动,其余3个自由度构成三维极坐标系统(r,θ,z)用于微悬臂的调节;AFM.IPC-208B中的STM可以单独使用。 ②AFM.IPC-208B型机数据采集和扫描控制系统设计的新理论:在前置放大器中采用三级线性放大电路来代替常用的单级放大电路,以分解放大倍数,提高信噪比;在对数放大器中采用SH325对数放大器来代替折线放大器,以保证反馈控制回路的线性度;采用设有倒T电阻网络的14位D/A卡,并引入外设时钟,突破了计算机内部时钟1ms的精度限制,避免了计算机执行其它指令时产生的噪音信号。 ③探讨了AFM.IPC-208B型机在表面粗糙度检测中的应用:编制了基于MATLAB语言的二维和三维表面粗糙度参数计算的专用程序,用AFM.IPC-208B型机测量了DLC膜的表面形貌,对采集到的数据利用所编写的程序进行了二维和三维表面粗糙度参数的计算和分析。从其结果可以得出:AFM.IPC-208B型机测得了DLC膜样品表面纳米级的粗糙度,三维表面粗糙度的评定比二维表面粗糙度的评定更稳定,可靠性更高。 ④研究了AFM.IPC-208B型机在微细加工中的应用:利用它的STM功能通过机械刻蚀的方法在高序定向石墨表面刻蚀出了微米级的线条,线条的宽度约为5μm,深度约30μm。 ⑤利用AFM.IPC-208B型机测得了WO3溶胶掺铂晶化薄膜、ZnO薄膜和TiN薄膜的小分子结构形态以及基因芯片的表面微观形貌,得到了相应的结构参数。获得了一批国内外尚未报道过的AFM图片资料,具有较高的科学价值。


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