IPC-208B型原子力显微镜系统改进及其压电微悬臂的研究

【摘要】：21世纪以来,扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,简称SPM)已经成为纳米检测与加工不可缺少的研究仪器。尤其是原子力显微镜(AFM)凭借其原子量级(0.1nm)的精度,在材料科学、生物医学、纳米机电以及微纳加工领域得到了广泛的应用。随着纳米技术的迅速发展以及在纳米检测与加工领域中的深入应用,原子力显微镜技术自身也得到了很大的发展。重庆大学恒瑞纳米技术工作站在现有的IPC-208B型原子力显微镜系统的基础上,不断优化原子力显微镜系统的性能,拓展其应用,并致力于研究开发多工作模式的原子力显微镜。本论文在重庆市科委自然科学基金项目和重庆大学自然科学青年基金项目的资助下,开展了IPC-208B型原子力显微镜系统性能改进、最新实验应用及其压电微悬臂的研究,主要做了以下几个方面的研究工作: ①系统研究以AFM为主的SPM的工作原理、发展概况以及应用情况,详细论述了压电微悬臂的理论和国内外应用发展,重点论述了压电微悬臂在AFM系统中的研究现状。 ②介绍实验室近几年在IPC-208B型原子力显微镜系统改进及其最新应用实验方面的工作。系统介绍AFM.IPC-208B型机系统组成,重点介绍显微镜镜体中的步进电机、压电陶瓷、微悬臂、变速系统;改进方面在AFM系统配备了AFM微悬臂调节装置,微悬臂调节机构采用可拆卸式的装置,兼顾了AFM系统功能与STM系统功能,提高了仪器的应用价值。为微悬臂和探针增设探针调节监测装置(2D调节),增强调整的准确性,提高调整效率,避免撞针情况的发生,提高微悬臂的可操作性;选择压电陶瓷扫描器进行下扫描设置,使扫描范围由原来的1000×1000 nm2扩大为10×10μm2,实现大范围扫描;详细论述该系统在微加工、生物医药样品表征、铁磁和铁电材料表征和高分子聚合物纤维材料表征方面的最新的应用进展。 ③对AFM系统的压电微悬臂进行设计。根据微悬臂形变与位移传感原理,在AFM压电微悬臂设计原理、讨论其工作模式原理的基础上,给出完整的压电微悬臂结构及系统设计,提出硅底+电极+压电薄膜+电极四层结构;分析对比PZT与ZnO两种压电材料的特点,并分析压电微悬臂感应和执行两种工作方式;研究了微悬臂及其探针的加工工艺;分析压电微悬臂的特点,在与其他方式微悬臂的进行对比分析的基础上探讨压电微悬臂在AFM中的应用前景。 ④对AFM压电微悬臂进行有限元分析及ANSYS仿真。根据有限元和ANSYS仿真原理,按照原子力显微镜工作环境和要求,采用有限元方法建立微悬臂模型,采用ANSYS软件对模型进行静力分析求解得到压电分析结果:电压随作用力或位移的变化关系,具有较好的线性度。深入分析模型中的各个参数:长度、宽度、厚度等对电压产生的影响,得到3阶模态振动图及固有频率模态分析结果,并讨论不同尺寸参数对模态频率的影响;分析不同探针位置对模态频率和灵敏度的影响,并对是否考虑延伸端进行性能对比分析;采用电压/位移(△U/△D)对模型的灵敏度进行标度,做各尺寸参数对灵敏度的影响分析;总结仿真分析结果,综合考虑压电微悬臂尺寸的影响,优化分析结果:选择微悬臂长度为200μm,宽度为50μm,延伸端长度为20μm,延伸端宽度为10μm,压电层厚度为1μm,硅底厚度为1.5μm,电极厚度为0.2μm时,微悬臂的一阶频率为f=44.972kHz,灵敏度K=1.71mv/nm。按照AFM探针起伏为0—100 nm计算,压电信号变化范围在0—171 mv,为AFM微悬臂的研制提供参考。