采用显微监控的可选区原子力显微镜研究

【摘要】微纳米检测技术越来越成为现在世界科技发展的前沿之一,对现代科学技术的发展和社会进步起了非常巨大的推动作用。而扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜(AFM)等超高分辨率的仪器已经成为纳米领域里不可或缺的重要检测工具,尤其是AFM,因为它不受样品是否导电的限制而广泛被应用于微电子学、医学、生物学、物理学、化学与精密机械及微纳米技术等领域。目前,世界上大多数传统的AFM,都没有显微监控单元。但是AFM的微悬臂(探针)尺寸非常小,无法使用肉眼直接观察；另外样品被扫描的区域也十分微小,同样需要在扫描前预先选定一个大致的扫描范围。没有显微监控单元,扫描时样品表面状况和探针逼近样品的过程都不可见,在选择扫描区域和控制探针样品逼近过程时存在很大的盲目性。如果探针针尖正好在样品表面的疵点上扫描,结果只能获得错误的表面信息；或者在探针一样品盲目进给过程中,很可能会折断探针或者对样品表面造成划伤。因而它们在性能和技术指标方面均存在局限性。为此,本文发展了一种新型采用显微监控的可选区原子力显微镜新方法。并在此基础上研制出了一套可选区AFM系统,包括显微监控单元和新型光束偏转法检测系统以及步进电机等部分。该系统采用显微监控单元和AFM扫描部分紧凑集成的方法,在保证最佳光杠杆放大比的基础上,既可以实现样品高精度微纳米检测,也可同时实现对样品的特定区域选择性扫描和样品探针逼近过程的监控。本文分别从理论方法、系统设计以及实验技术等各个方面对此AFM系统进行了详细阐述,本文的主要工作及研究内容如下：首次提出了一种可提供样品高精度微纳米检测,也可同时实现对样品特定区域选择性扫描和样品探针逼近过程监控的AFM新方法。该新方法紧密集成了显微监控系统和AFM,在保持纳米量级扫描精度的基础上,可选择样品的扫描区域和监控探针一样品逼近过程,克服了常规AFM的局限性,为实现扫描与监控同步进行提供了新途径。研究和发展了一种新型采用显微监控的可选区原子力显微镜系统。主要包括显微监控单元、新型光束偏转法检测系统以及步进扫描电机等部分。该系统性能良好、运行平稳,既可以实现样品高精度微纳米检测,也可同时实现对样品特定区域选择扫描和探针一样品逼近过程的监控。可望在微纳米加工制备、微纳米操控及微纳米检测等领域得到广泛应用。利用本系统对多种样品进行了AFM扫描和监控实验研究。包括样品探针一逼近过程监控实验、样品选区扫描实验,也开展了本系统的小范围高精度扫描性能测试实验,得到了良好的实验结果。实验结果表明,本文研发的采用显微监控的可选区原子力显微镜系统,具有稳定良好的性能,可实现在保持高精度扫描的基础上对样品选择区域扫描和探针一样品逼近过程监控,可完全满足科研及工业等领域扫描检测的需求。
【作者】刘明月；
【导师】章海军；张冬仙；
【作者基本信息】浙江大学，光学工程，2014，硕士
【关键词】AFM；显微监控；光路；扫描区域选择；探针-样品逼近监控；高分辨率；步进扫描台；

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