多模态原子力显微镜硬件系统研制及实验

【摘要】为了进一步提高动态原子力显微镜的动态特性，提出了一种利用硅悬臂高阶谐振而进行扫描测量的高阶谐振表面测量方法，并开发研制了一套多模态原子力显微镜系统，使其既可以在静态模态下工作，又可以在动态一阶二阶甚至更高阶谐振模态下工作，实现表面测量。论文主要介绍完成的以下部分工作：（1）对动态AFM悬臂的高阶谐振特性进行理论分析，包括高阶谐振悬臂振动方程和振型函数的推导，以及从理论上验证高阶谐振模态动态特性较一阶谐振模态有明显的改善；（2）多模态AFM系统硬件电路设计，包括振幅反馈和相位反馈模式电路，振幅反馈模式中包括接触模式、一阶及高阶轻敲模式电路设计；（3）多模态AFM系统机械结构部分的改进，包括测头部分夹具的改进、工作台的改进等，改进后系统稳定性明显提高，X、Y向扫描范围增大为原来的4倍多，Z向伸缩增大了6倍；（4）多模态AFM系统的性能测试：包括振幅反馈中静态模式和动态模式AFM系统的噪声测试、力曲线测试、三维形貌扫描曲线测试等，以及一阶二阶谐振悬臂的灵敏度、分辨率、响应速度的对比分析；相位反馈系统AFM的噪声测试、力曲线测试、三维形貌扫描曲线测试等；（5）对影响多模态AFM系统精度的多个因素进行了分析，并提出了可能的优化方法。基于自制的多模态AFM系统，实现了在各个模态下的扫描测量。不仅通过实验证实了利用悬臂高阶谐振特性进行扫描测量的可行性，也从理论和实验上验证了高阶谐振模态较一阶谐振模态具有更高的灵敏度、分辨率和扫描速度等。
【作者】袁丹；
【导师】黄强先；
【作者基本信息】合肥工业大学，精密仪器及机械，2014，硕士
【关键词】硅悬臂；多模态原子力显微镜；高阶谐振；表面测量；

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