【摘要】：原子力顯微鏡憑借其超高分辨率的觀測能力成為現代表面科學領域使用最廣泛的觀測、操作工具,在許多前沿研究領域具有應用前景,不僅可以應用于半導體、絕緣體等各種新型材料表面研究,還可以進行表面原子/分子操作,推動了原子器件的發(fā)展。在原子力顯微鏡系統中,探針振動的微弱信號檢測是整個儀器的核心技術,懸臂偏轉檢測傳感器的靈敏度成為原子力顯微鏡性能評估的重要的影響因素之一。目前原子力顯微鏡最常用的光偏轉微弱信號檢測系統易于操作,但是其噪聲水平較光干涉方式還較高,而現在基于原子力顯微鏡的研究都要求超高的分辨率卻很少機構去研究儀器噪聲水平降低的方法。基于此本文進行了光偏轉檢測系統的優(yōu)化工作,具體研究如下:第一,深入研究了原子力顯微鏡的工作原理,分析了多種懸臂偏轉檢測方式的優(yōu)劣。對傳統光偏轉檢測方式的設計理論進行研究,提出了提高靈敏度降低噪聲的新方法,并進行了新型光偏轉檢測系統的設計及配套的前置放大、濾波電路和運算電路。第二,對新設計的光偏轉檢測系統進行具體的測試。較傳統的光偏轉檢測系統,我們所設計的系統擁有更好的激光質量,三維且易于調節(jié)的光路結構,并擁有能直觀的反映系統光路的對準情況的功能。第三,利用所設計的光偏轉檢測系統進行探針振動的測試和系統噪聲的測定,得到探針的共振頻率及并擁有較高的品質因數,通過總噪聲的測定和熱噪聲的計算,得出并標定了系統的噪聲水平,證明我們所設計的光偏轉檢測系統的高靈敏度低噪聲性能。第四,將所設計的光偏轉檢測系統運用到自制超高真空室溫非接觸式原子力顯微鏡中進行圖像分辨率測試,驗證了系統測量探針與樣品之間電勢差和力譜的功能,補償了探針與樣品之間靜電力的影響,說明了原子間相互作用力與距離之間的依賴關系。通過掃圖實驗我們得到了Si(111)的表面臺階以及原子分辨率的表面形貌圖像,證明了我們所設計光偏轉檢測系統的高靈敏低噪聲性能及原子力顯微鏡圖像的原子分辨率。綜上所述,通過本研究設計,提高了光偏轉檢測系統的靈敏度,降低了系統噪聲,提高了原子力顯微鏡系統的分辨率,為精密測量儀器的自主研發(fā)開拓了新的途徑,具有重要的理論研究意義及實際應用價值。
【圖文】：

中北大學學位論文微弱信號檢測方式的比較中，，探針振動的微弱信號檢測是整個儀器的核心技術，非接觸式原子力顯微鏡性能重要的影響因素之一，自 A偏轉檢測傳感器應用于原子力顯微系統中，目前最常用極板檢測方式、壓阻檢測方式、壓電檢測方式[41]、光纖檢測方式[44,45]等幾種檢測方式。

圖 1.3 探針針尖三個方向受到的作用力分顯示上述兩種方法獲得的偏轉靈敏度限制中其偏轉噪聲密度仍然遠高于光干涉檢測方式，必須考慮系統噪聲的降低，以保證超高分辨率的觀測能力成為材料表面形方式的原子力顯微鏡微弱信號檢測系統也成為原子力顯微系統開發(fā)過程中要研究的作為研究設計的指導理論進行全面的論述計新型系統，并設計了信號檢測的前置放聲性能進行測試標定；最后在原子力顯微
【學位授予單位】：中北大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH742

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本文編號：2680501