原子力显微术的新方法及新型原子力显微镜系统研制

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1、利用上述新方法，在国内外率先研制建立了新型卧式原子力显微镜系统，主要性能指标达到国内外先进水平。成功研制了卧式AFM探头，包括特有的微悬臂偏转量的卧式光电检测系统、AFM成像工作点(即原子力的预设置点)的调节机构、XYZ扫描与反馈控制器、样品的粗调与微调机构；自行研制了高性能的PSD前置放大电路、XY扫描控制电路和Z向PID反馈控制电路系统；设计了A／D&D／A控制接口，独立开发了性能完善的AFM扫描与控制软件系统及功能强大的图像处理软件系统。在AFM技术及性能上的创新之处还表现在如下几个方面：提出并实现了一种新的压电陶瓷非线性的软件校正方法；可在AFM的微探针上

2、定量地施加不同的原子力载荷；可在探针和样品间施加电场，以实时观察测量样品结构在电场作用下的变化规律；借助优化的机光电算一体化设计，实现了独一无二的超高扫描效率，最大速度可达1幅图像／5秒，扫描速度优于进口AFM(每幅图像扫描时间一般需要几分钟)：利用CCD显微摄像监控系统，可对探针一样品的进给过程和扫描状态进行实时监控。这些都是本文的卧式AFM系统特有或首创的技术。实现了卓越的AFM性能，其分辨率达到横向O．innl、纵向优于0．Irim，在+150V的扫描控制电压下，最大扫描范围达到10gmxl0岬，提高扫描电压，可进一步扩大扫描范围。此外，作为对AFM系统功能

3、的拓展，我们还开发了原子力曲线的测定、基于AFM的纳米级振动测量、纳米粗糙度的定量检测和纳米摩擦力图谱的测量等辅助功能。利用卧式AFM系统，在物理学、化学、材料学、高分子科学、生物医学、光电子学、微纳米摩擦学与机械学等多个领域进行了大量的应用研究工作，其中的一些实验研究工作是本文首次实现的，如金刚石薄膜的结晶状况分析；光电功能薄膜的形成过程研究：纳米级台阶深度的测量等；此外，首次利用AFM对铝的阳极氧化抗腐蚀处理过程进行系统的实验研究。上述研究工作也进一步验证了新型卧式AFM所具备的高分辨率、大扫描范围、高图像清晰度、高重复性、高稳定性、低维护要求、便捷操作等优异

4、性能及广阔的应用范畴。关键词：纳米技术，原子力显微镜，卧式，微悬臂(探针)，光压作用，重力影响，分辨率，灵敏度，光束偏转法，原子力预设置点，PID反馈控制，压电陶瓷非线性校正，AFM应用nTheNewMethodofAtomicForceMicroscopyandtheDevelopmentofHorizontalAFMABSTRACTInrecentyears，hallo—technologyhasbecomeoneofthemostactivefieldsinmodernscienceandtechnology．Thebranchesofnano—techno

5、logyincludenano—physics，HallO—chemistry，nano-electronics，llano-materialscience，nano—biology，nano—mechanicsandnano—measuremems，etc．Withthedevelopmentofnano—technology，scanningprobemicroscopy(SPM)，especiallyatomicforcemicroscopy(AFM)，hasbeenthemostwidelydemandedandappliedtoolsforresearc

6、herstopursuemoreambitiousgoals，andhasactuallybecometheindispensableinstrumentsfornano—scientistsandengineers．Inthisthesis，anewconceptofAFMhasbeenputforward，andanewtypeofhorizontalAFMwithbetterperformanceandwiderapplicationhasbeendevelopedbasedonthesystematicresearchofitsprincipleandme

7、thod．TheresearchonthenewmethodofatomicforcemicroscopyandthedevelopmentofthehorizontalAFMnotonlyhasimportanttheoreticalsignifications，butalsohasagreatprospectforpracticalapplications．Acomprehensivereviewaboutscanningprobemicroscopy，especiallythehistoryandthestatusofthedevelopmentofAFMw

8、aspre