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大扫描范围原子力显微镜的新方法研究及系统研制

作　者: 施洋
导　师: 章海军
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 扫描范围纳米科技微动平台新方法研究扫描控制系统研制电压信号图像拼接扫描分辨率课题
分类号: TH742
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 253次
引　用: 2次
阅　读: 论文下载

内容摘要

在20世纪末，各种电子元器件、机械机构等都有向小型化、微型化发展的趋势。许多纳米级的器件已经被应用在科学研究与工业生产中，纳米科技越来越受到人们的关注。扫描探针显微镜(SPM)是研究纳米科技的重要工具。在SPM家族中，以原子力显微镜(AFM)的应用最为广泛，它可以在大气、液体等多种环境下对导体、半导体、绝缘体等多种材料进行观测，适应性很强。 AFM的主要性能指标包括其最大扫描范围和测试分辨率等。扫描范围一般在几微米至几十微米量级，有时无法满足某些特定场合的需求，例如对有些材料表面进行研究时，研究人员希望能够同时观察几百微米范围内样品表面的形貌、缺陷等性质；非接触模式AFM用于生物医学研究观察蛋白质一类生物大分子或是多分子聚合体时，人们希望其扫描范围更大一些。单个蛋白质分子的大小差别很大，较大的可能有几百万(?)，而较小的也会有上万(?)，此时几微米，甚至几十微米的扫描范围是远远不够的。对于只有一个或几个蛋白质分子的样品图像来说，人们很难从中分析出很多数据。人们总是希望能够在满足一定的扫描分辨率的同时，能够看到更多的东西。基于这个需求，我们提出了大扫描范围AFM的课题，并研制出整个AFM系统，在保证扫描分辨率的情况下，提高了扫描范围。本论文分为六章，第一、二章介绍纳米科技、课题背景及AFM的基本原理；第三章介绍本课题提出的一些新方法及创新之处；第四章介绍本课题的研究成果即研制完成的大扫描范围AFM系统；第五章对该AFM系统的系统性能进行了优化研究；第六章展示制成功的大扫描范围AFM系统的应用结果，包括几种不同样品的扫描结果；第七章为总结与展望。本课题的创新之处包括：提出压电陶瓷的推拉式控制方法。以前给压电陶瓷施加电压信号的方式多为单信号加压，即，只给压电陶瓷的一侧施加电压信号，另一侧则接地。现在提出了压电陶瓷的推拉式控制方法，给压电陶瓷内外侧分别加上两个相位相差180°的电压信号，使得加在压电陶瓷管壁上的电场方向交替变化，从而使得压电陶瓷极化方向交替变化，这样就比单方向极化的压电陶瓷管伸缩距离大，扩大扫描范围。浙江大学硕士论文改进压电陶瓷扫描器的驱动电路，采用相移式扫描控制方法及电路。由电脑发出一路控制信号，经过相移式控制电路，产生另一路与原信号相差180“的信号电压，此电路采用模拟电路，速度快，响应时间可以忽略，两列信号可以严格保证在180“的相位差。同时我们还提出了基于微动平台的序列图像扫描及拼接方法。引入微动平台，在压电陶瓷驱动器扫描完一幅图像后，通过微动平台将样品移动一定的距离(工r方向均可)，然后再扫描下一幅图像，最后将扫描完成的全部图像拼接起来，就可以得到一幅完整的大范围样品图像。由于扫描时微动平台静止，所以整幅图像的分辨率仍然取决于压电陶瓷，不会因为微动平台的引入而降低分辨率。设计研制了整个大扫描范围AFM系统，包括探头、扫描机构、控制机箱、计算机硬件接口、扫描控制程序等。对不同的样品进行了扫描，如2000线/~的光栅，多孔氧化铝等等，获得了很好的结果。实验表明，本课题研制的大扫描范围AFM在大气环境下能够稳定工作，具有较大的扫描范围、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。其分辨率横向优于Inm，纵向优于O.lllln。单幅图像的扫描范围为9林mXg林m，整幅图像的大小可以达到毫米级。二淤.

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-16
  §1．1 纳米科技概述  8-10
  §1．2 扫描探针显微镜的发展  10-14
    §1．2．1 传统显微镜的出现及发展  10-12
    §1．2．2 扫描隧道显微镜的出现  12-13
    §1．2．3 原子力显微镜的出现及其发展  13-14
  §1．3 本课题主要研究内容及成果  14-16
第二章原子力显微镜的基本工作原理  16-34
  §2．1 原子力作用机制  16-21
  §2．2 原子力显微镜的基本原理  21-22
  §2．3 原子力显微镜的工作模式  22-28
    §2．3．1 接触模式  22-23
    §2．3．2 非接触模式  23-25
    §2．3．3 轻敲模式  25-28
  §2．4 微悬臂(探针)及其偏转量的检测方法  28-34
    §2．4．1 原子力显微镜的微悬臂及探针的性能  28-30
    §2．4．2 微悬臂偏转量的各种检测方法  30-34
第三章大扫描范围原子力显微镜的新方法研究  34-44
  §3．1 压电陶瓷的推拉式控制方法  34-38
    §3．1．1 压电陶瓷简介  34-36
    §3．1．2 压电陶瓷的推拉式控制方法  36-38
  §3．2 相移式扫描控制方法及电路  38-40
  §3．3 基于微动平台的序列图像扫描及拼接方法  40-44
第四章大扫描范围原子力显微镜系统的研制  44-61
  §4．1 大扫描范围原子力显微镜系统介绍  44-45
  §4．2 扫描机构的设计  45-52
    §4．2．1 压电陶瓷驱动器  46-48
    §4．2．2 驱动器进给机构  48-50
    §4．2．3 微动平台结构设计  50-52
  §4．3 扫描与反馈控制机箱  52-58
    §4．3．1 扫描驱动电路  52-53
    §4．3．2 PSD及前置放大电路  53-55
    §4．3．3 PID反馈控制电路  55-58
  §4．4 图像的获取及显示系统  58-61
    §4．4．1 计算机软硬件接口  58-59
    §4．4．2 扫描控制及图像捕获软件  59-61
第五章系统分析及性能优化研究  61-71
  §5．1 压电陶瓷的非线性与迟滞效应  61-63
  §5．2 扫描反馈电路的精度影响  63-65
  §5．3 环境对扫描机构的影响  65-67
  §5．4 激光器及PSD性能分析  67-71
第六章大扫描范围原子力显微镜的应用研究  71-78
  §6．1 光栅的纳米结构图像  71-73
  §6．2 多孔氧化铝的纳米结构图像  73-75
  §6．3 序列图像拼接的光栅纳米结构图像  75-76
  §6．4 系统性能总结  76-78
第七章总结与展望  78-80
  §7．1 总结  78-79
  §7．2 课题工作展望  79-80
参考文献  80-83
硕士在读期间发表的论文  83-84
致谢  84

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