多模态原子力显微镜控制系统研制及实验

【摘要】原子力显微镜（AFM）作为纳米检测技术的基本工具之一，已经在研究纳米尺度物质的结构和特性方面取得了令人惊叹的发展，但是随着应用领域的不断扩展以及对精密测量和定位技术的要求越来越高，要求AFM具有更高的空间分辨率，更快的扫描速度，和更好的抗干扰能力。依据AFM工作的基本原理，我们自行设计和研制了让悬臂可以工作于不同振动模态的多模态原子力显微镜系统。论文主要介绍了已经完成的几项工作内容：1、完成了多模态AFM的控制软件的编写，主要包括扫频软件设计、直流电机驱动软件设计、探针-试样自动逼近以及力曲线测试软件设计、PI参数测试软件设计、三维扫描成像软件设计以及台阶测试软件设计等。这部分也是多模态AFM系统设计的核心内容之一。2、完成了直流电机驱动电路的设计，包括原理图的绘制，PCB的绘制、加工以及焊接。3、以自制的多模态AFM为研究对象，分析了影响AFM扫描速度的主要因素，对系统各模块的响应时间进行了分析、测试，并通过实验证明了二阶谐振模态下的AFM系统稳定时间明显小于一阶谐振模态，即在二阶谐振模态下AFM的扫描速度比在一阶谐振模态下要快。4、对光栅试样同一区域表面形貌分别用一阶、二阶谐振模态进行了扫描测试，实验数据表明，在相同条件下，二阶谐振模态AFM的扫描速度约为一阶扫描的3.3倍，而且由力曲线和台阶测试可以得到，二阶谐振模态下AFM的Z向分辨率高于一阶谐振模态。通过理论与实验验证相结合的方式，分析AFM工作在高阶谐振状态下的作用机理和关键因素，通过实验验证了多模态原子力显微镜的可行性以及它在扫描速度和空间分辨率方面的优势。
【作者】尤焕杰；
【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】原子力显微镜；多模态；控制软件；扫描速度；分辨率；

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