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液相型原子力显微镜的研制及其应用研究

作　者: 张虎
导　师: 章海军
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 微探针液相环境液体表面张力行扫描扫描探针扫描参数设置暴露在大气中计算机实时控制综合性能测试纳米生物学
分类号: TH742
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

纳米科技是二十世纪八十年代末、九十年代初逐渐发展起来的前沿性交叉学科，形成了纳米微电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米物理学、纳米化学等多个新兴的领域。它们相互交融，交叉发展，必将引发下一次产业革命的浪潮，对新世纪的科学技术发展和社会进步起到重大的推动作用。扫描探针显微术(SPM)是纳米科技发展的重要基础，已成为纳米科技工作者不可缺少的观察和研究工具。SPM家族成员众多，其中以AFM应用领域最为广泛，其主要应用领域涉及材料科学、微电子学、医学、光学、物理学、化学等学科。传统的AFM一般工作在大气环境或真空状态，显示出十分优良的性能。但在许多特定的场合，需要将样品放置在液体中进行扫描观察，如许多化学反应或电化学反应是在液体中进行的；蛋白质分子等生物体试样必须在液态环境下才能保持其生物体活性；还有一些在空气中极易被氧化的物质，不能暴露在大气中。鉴于以上情况，研究液相环境工作的原子力显微镜不仅具有重要的理论意义和科学价值，而且具有广泛的应用前景。本课题旨在研究一种高性能、实用化、易操作的液相型原子力显微镜，以拓展原子力显微镜的应用范围，使原子力显微镜能够应用到各个科学领域和工作环境。本文的研究内容和创新之处主要包括：在理论上，对微探针和样品之间作用力的机理进行了深入探讨。并计算了微探针进入液体瞬间受到的表面张力大小以及在液相环境中微探针所受到的浮力大小。首次提出了一种将AFM探测头深入到液面之下的液相型AFM新方法。国际上多数液相型AFM只是在样品表面滴一滴液滴，然后将AFM的微探针伸入液滴进行扫描。一方面，其工作条件与样品整个被液相环境包围的情况不符合；另一方面，微探针及其检测光路极易受液滴表面张力的影响。而本文提出的新型液相AFM，完全克服了这些不足。在该系统的设计中，我们引入了一块透明视窗，使光路不经过气—液界面折射，而是经由气—固和固—液界面，因此即使液面抖动，也丝毫不影响检测光路的稳定性。该设计方法还巧妙地克服了液体表面张力对微探针的影响，因为表面张力仅作用于独特设计的圆形透明视窗的周边。浙江大学硕士学位论文在国内首次成功研制了液相型AFM系统。除了具备上述优点外，该系统采用扫描探针的方式，并将样品台和样品池设计为开放式结构，待测样品基本上不受重量和尺寸的限制，可对较大和较重的样品进行测试;同时，该液相型AFM还可以对样品作原位、在线的测试，例如对化学反应过程(如金属的腐蚀等)进行实时观测研究。因而具有更高的实用价值和更广泛的应用前景。建立了扫描控制和数据采集软件系统，并完成了扫描参数设置、图像扫描的实时显示和基本的图像处理功能，实现了通过计算机实时控制进行扫描和数据采集。开展了液相型AFM系统的综合性能测试及应用研究。并对不同的样品进行了扫描实验，获得了金属铝表面和其他一些样品表面的纳米结构图像，并以原位和现场扫描的方式，成功观察到金属样品表面在酸液中的纳米级腐蚀过程。实验表明，该液相型原子力显微镜系统在液相环境和气相环境下均能够稳定工作，具有优良的扫描稳定性、重复性以及良好的图像对比度和清晰度。其分辨率可以达到横向优于Inm，纵向优于0.llun，最大扫描范围达到8000 nlnx8000nln。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
第一章绪论  8-23
  1.1 纳米科技概述  8-10
  1.2 扫描探针显微术的发展历史  10-14
    1.2.1 从光学显微镜到扫描电镜  10-11
    1.2.2 扫描隧道显微镜及其优良特性  11-13
    1.2.3 原子力显微镜  13-14
  1.3 在STM和AFM基础上发展的扫描探针显微镜  14-18
  1.4 本文的主要研究内容及研究成果  18-23
第二章液相型原子力显微镜的原理及新方法研究  23-37
  2.1 原子力作用机理  23-25
  2.2 AFM的工作模式  25-27
    2.2.1 接触模式  25-26
    2.2.2 非接触模式  26
    2.2.3 轻敲模式  26-27
  2.3 AFM的微悬臂(探针)及光束偏转法  27-29
  2.4 液相型AFM的原理及微探针受力分析  29-34
  2.5 液体表面张力及液面抖动影响的克服  34
  2.6 扫描方式的选择  34-37
第三章液相型原子力显微镜的研制  37-53
  3.1 液相型原子力显微镜探头设计  37-43
    3.1.1 探针座  37-39
    3.1.2 xyz扫描控制器  39-41
    3.1.3 液体池  41-42
    3.1.4 粗调与微调进给机构  42-43
  3.2 扫描与反馈控制电路系统设计  43-49
    3.2.1 控制电路框图  43
    3.2.2 PSD工作原理及前置放大电路  43-45
    3.2.3 Z向反馈控制  45-47
    3.2.4 XY二向扫描控制  47-48
    3.2.5 高压放大电路  48-49
  3.3 计算机软、硬件系统  49-53
    3.3.1 计算机A／D&D／A硬件的选用  49
    3.3.2 图像扫描和处理软件  49-53
第四章系统的精度分析及性能优化研究  53-62
  4.1 压电陶瓷的固有非线性  53-54
  4.2 压电陶瓷的滞回效应  54-56
  4.3 压电陶瓷的爬行现象  56
  4.4 压电陶瓷老化的影响  56-58
  4.5 光电探测器噪声  58-60
  4.6 振动对测量精度的影响  60-62
第五章液相型原子力显微镜的应用研究  62-73
  5.1 液相环境中金属铝的纳米结构图像  62-64
  5.2 大气和液相环境中对ZnO膜成像  64-65
  5.3 金属铁腐蚀过程的原位测试研究  65-67
  5.4 其他部分样品的AFM图像  67-70
    5.4.1 液相型AFM在多孔氧化铝研究中的应用  67-68
    5.4.2 光栅的表面形貌图  68-70
  5.5 液相型AFM系统性能总结  70-73
第六章总结和展望  73-76
  6.1 总结  73-75
  6.2 课题研究工作展望  75-76
硕士期间发表的论文  76-77
致谢  77

液相型原子力显微镜的研制及其应用研究

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