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改变激励频率对轻敲模式下原子力显微镜相位的影响

魏瑞华  
【摘要】:原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)是一种研究材料表面性质的强大工具,其核心部件是一根用于扫描的微悬臂梁,即力的传感器。微悬臂梁一端固定,一端自由,自由端的端部存在可以探测样品表面的针尖。原子力显微镜在轻敲模式下(Tapping Mode)工作时,微悬臂梁会被激发到接近其谐振频率振动,针尖会随着微悬臂梁的振动甩荡开来,通过针尖与样品表面之间的作用力变化反馈出样品表面的信息。相位成像是AFM在轻敲模式下开发的一种拓展应用,它在能够测量样品表面结构尺寸的形貌扫描的基础上,增加了检测表面组成成分、黏附性、硬度、摩擦等物化性质的变化功能。本文以获得高质量的相位像为主要研究目的,通过分析TM-AFM微悬臂梁的动力学模型,利用Euler-Bernoulli(欧拉-伯努利)梁方程求解振动的模态,并根据振动的内容将动力学模型简化为基于支承运动的弹簧谐振子模型,推导出相位与激励频率之间存在的关系。根据推导得出的相位与频率关系设计实验,利用混合物样品和均质样品进行相位扫描实验。在接近微悬臂梁一阶固有频率处设置多个对照组实验,通过改变激励频率使其不断接近直至达到一阶固有频率。分析实验数据后得出了轻敲模式下改变AFM悬臂梁激励频率会对相位成像对比度产生影响,且与之前提出的理论相吻合。TM-AFM相位实验中,相位对比度在接近一阶固有频率时会先增大然后迅速减小。这其中存在一个最大的相位差,也就是相位对比度最大的情况。在此激励频率条件下,获得的相位图像最清晰,获得的样品表面信息最完整。最后,在相位扫描实验中发现探针在接近样品的过程中一阶固有频率会产生变化。据此设计了三种不同类型的探针在改变探针与样品间距离条件下的扫频实验,得出探针刚度是改变微悬臂梁一阶固有频率的原因。


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