高速原子力显微镜技术及系统研究

【摘要】：近年来,微纳米技术飞速发展,原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)以其极高的分辨率和不受样品表面导电性限制等特性,成为微纳米技术研究中最重要的扫描成像与检测分析工具之一。目前,国内外大多数常规AFM的扫描速度较慢(如每幅图像需要10分钟甚至更久),无法实现对微纳米样品的高速成像(如每秒1幅以上至视频级);国内外现有的高速AFM系统较少,且大多存在体积庞大、运输携带不便、安装操作复杂、依赖交流市电、计算机与AFM控制系统之间需有线连接等局限性,因而在很大程度上限制了 AFM的推广应用。为此,本文提出和发展了一种高速AFM的新方法和新技术,研制了新型高速AFM系统,并进一步实现了高速AFM控制系统的微小型化,具有重量轻、体积小、速度快、性能好、无需交流市电、无需专门的低压与高压直流电源等特点,在此基础上,最终实现了基于WiFi无线控制的AFM高速扫描成像。本文的主要研究内容包括以下几个方面:开展了高速AFM的理论与仿真研究,提出和发展了一种高速AFM的新方法。通过对探针-样品动力学模型的理论推导、扫描器特性的建模仿真、控制电路性能的评价优化及软硬件系统的研究开发,对AFM系统中限制扫描成像速度的关键因素进行了分析,揭示了这些因素对高速AFM成像结果的影响规律。在此基础上,提出了一种高速AFM系统方案,并进一步开展了高速AFM控制系统的微小型化研究,研究建立了一种基于微小型控制器的高速AFM的方法体系。研究和发展了一种高速AFM的新技术,解决了高速AFM探头设计、高速扫描控制、光路设计、光电检测、信号处理、控制电路及软硬件开发等方面的核心技术问题;提出了高速AFM的扫描与反馈控制方案,可实现微纳米样品的高速至视频级扫描成像。在理论方法与技术研究的基础上,研制了新型高速AFM系统,由高速AFM探头、高速AFM扫描与反馈控制系统、嵌入式控制系统、计算机(上位机)及软件等部分组成。高速AFM探头包括AFM微探针、组合式高速扫描器、样品、光电检测模块、粗调与微调机构等部分。组合式高速扫描器,由三角架扫描器和四象限片状压电陶瓷扫描器构成,可实现常速至视频级的扫描成像;光电检测模块中采用折叠型光路设计,在保证检测精度的同时大幅度缩减了光路占用体积。提出了高速AFM的扫描控制方式与基于PID的“弱反馈”控制方式,研制了高速扫描与反馈控制电路。开发了由树莓派、微小型高速A/DD/A接口卡构成的嵌入式控制系统,可由移动电源直接供电,通过编程控制高速扫描与反馈控制电路,进而实现微纳米样品的扫描成像。在上述研究工作的基础上,开展了高速AFM控制系统的微小型化研究,在保证高速AFM的扫描速度及性能的前提下,研制了由树莓派、微小型高速A/DD/A接口卡及控制电路组成的高速AFM微小型控制器,重量轻、体积小,并且克服了对交流市电及专门的低压与高压直流电源的依赖;基于WiFi(热点)无线连接方式,进一步实现了计算机与高速AFM微小型控制器之间的通信与控制,克服了常规AFM中计算机与控制系统之间需要导线或网络线连接的局限性。开展了高速AFM技术与系统的性能研究及微纳米样品的高速扫描成像实验研究。研究结果表明,本文提出和研制的高速AFM系统,可对微纳米样品实现高速至视频级的扫描成像(6～26幅/秒,128×128 pixels),并具有良好的稳定性与重复性。与此同时,基于WiFi(热点),上位机可在1～50米范围内对高速AFM微小型控制器与高速AFM探头进行控制,首次以无线控制的方式实现了微纳米样品的高速扫描成像(6～20幅/秒,128×128pixels)。总之,本文提出和研究发展的高速AFM新方法、新技术及新系统,不仅可以实现微纳米样品的高速乃至视频级扫描成像,而且基于本文提出和研制的高速AFM微小型控制器,能够以WiFi无线控制的方式实现高速扫描成像,克服了常规AFM体积大、扫描速度慢、依赖交流市电、需要专门的低压与高压直流电源、需要导线或网线连接等局限性,既适用于室内有交流市电的实验环境,更主要的是可适用于室内隔离环境、室外环境乃至野外环境,因而可望在微纳米技术及其他领域获得更广泛的应用。