基于dsp的超声原子力显微系统的开发与应用

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1、第一章绪论图1-1原子力显微镜工作原理图AFM的工作模式主要包括接触模式、非接触模式和轻敲模式（间歇接触模式），其中非接触模式和轻敲模式也统称为动态模式。接触模式是最早出现的工作模式，它属于静态工作模式，容易引起漂移，测量的信噪较低。在接触模式下，针尖－样品间的横向作用力较大，容易造成对样品表面的损伤，不适合测量软样品。在轻敲模式中，探针振幅一般在10~100nm之间，频率设置为在谐振频率附[4]近的值。探针工作时，针尖会周期性压入样品。由于针尖和样品之间存在相互作用力，悬臂梁振动的幅值、相位都会

2、发生变化。探针的振幅、频率和相位都可[4]以作为反馈系统的控制信号以维持针尖-样品相互作用力恒定。因此，动态AFM又可以分为：幅值调制（AmplitudeModulation，AM）、频率调制（FrequencyModulation，FM）和相位调制（PhaseModulation，PM）。AFM广泛应用于样品形貌测量，但AFM力调制模式中想要观察弹性分布和亚表面特征是十分困难的。1994年德国URabe课题组制成了一种新的近场声学显微镜，在原子力显微镜的基础上与超声方法相结合，发明了原子力声学显

3、微镜(AtomicForceAcousticMicroscopy，AFAM)。之后各国学者相继开发了超声原子力显微镜（UAFM）、接触谐振原子力显微镜（CR-AFM）、外差力显微镜（HFM）和扫描近场超声全息术（SNFUH）等相关技术。超声原子力显微技术可在纳米尺度得到材料表面弹性性能分布图像并测量薄膜弹性性能，这使得硬度和杨氏模量的数值计算成为可能，并且也适用于样品的表面及亚表面缺陷检测。不仅如此，超声原子力显微技术是一种无损的方法，其图像的对比度远远优于其他方法，并且可以在空气和液体环境中测量

4、。2第一章绪论1.2超声原子力显微技术发展与应用原子力声学显微镜(AFAM)或超声原子力显微镜(UAFM)技术结合原子力显微镜与超声方法，驱动AFM的悬臂梁或者被测样品做超声振动，接触过程中精确测取悬针尖-样品的接触谐振频率，以此表征或计算样品表面局部机械性质。基于超声原子力显微的无损检测技术是测量给定材料的力学性能的有效工具。此外，因为超声波可以克服各种射线的缺点，穿透不透明的材料，因此适用于样品亚表面成像。该技术在亚表层缺陷、埋入结构、膜表面粘附作用的不均匀性检测中都有良好的效果。其利用的声波

5、大约在20KHz到100MHz的范围内，横向分辨率可小于10nm[5]。如今，很多学者对超声原子力显微镜技术展开研究，其中包括超声原子力显微机理、接触刚度、弹性模量、材料缺陷无损检测、成像机理等方面。成就最为突出的有德国U.Rabe课题组和日本K.Yamanaka课题组。1994年，德国URabe课题组成功研制出第一台原子力声学显微镜(AFAM)，[6]并且详细阐述了实验装置与测量原理。为了验证此方法，课题组检测了AFM悬臂的超声振动和针尖与样品表面的非线性作用力，得到了样品表面的超声图像并以此反

6、映其表面形貌。1997年，该课题组将AFM悬臂简化为弹性梁，在弯曲、扭转等不同的工作模态下分析悬臂振动，并在已知悬臂梁的振动信号的情况下推[7]导样品的弹性模量等机械参数。1999年，课题组运用原子力声学显微镜方法测[8]量两种纳米单晶尖晶石薄膜的弹性模量。文章中列出了详细的理论推导公式，逐步计算样品表面局部的弹性模量，最终确定了悬臂梁谐振频率的漂移、针尖与样品之间的接触刚度、变化的弹性模量三者之间的关系，以及简化的弹性模量与样品表面弹性模量之间的关系，实现了通过测量针尖-样品的谐振频率来推导出样

7、品表面的弹性模量。2000年，通过AFAM测得AFM悬臂振幅、相位以及悬臂梁谐振频率偏移，这些信息可以用来表征针尖与样品接触刚度及局部机械参数。通过原子力声学显微技术可以得到陶瓷的铁电畴结构图像，也可以定量地测[9]试样品表面的弹性模量。URabe课题组实验原理图如图1-2。整套设备的核心是一套改良的商用AFM。信号发生器发出稳定的正弦波，激励压电传感器产生形变。压电传感器1固定在在样品背面，带动样品振动，探针通过接触将样品调制的信号传递给悬臂梁。此外，悬臂梁一端固定传感器2，亦可由该传感器直接激

8、励悬臂梁振动。悬臂梁上加载的静态力可以控制探针悬臂的弯曲的程度。光电探测器检测悬臂的输出的振动信号，通过信号转换，最后将其输入外差式下变频器。通过和参考信号混合输出频率为20KHz的信号，再进入锁相放大器分析，最后输出至计算机信3第一章绪论号处理，得到探针的谐振频谱即可绘制样品表面的形貌图像。2008年，该课题[10]组对探针进行了改进，研制出了一种应用于AFAM的新型探针。图1-2URabe课题组原子力声学显微镜原理图1996年，日本K.Yamanaka等人研制出了探针激励的超声