【摘要】：自原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,AFM)被發(fā)明以來,作為納米技術研究中一個重要的工具,其在多個領域都得到了應用。AFM作為掃描探針顯微鏡家族的新成員,由于對樣品所處環(huán)境的要求更加寬松,這使其在生物科學研究領域中發(fā)揮著不可替代的作用。隨著納米技術的發(fā)展,對AFM功能性的要求越來越高,在對樣品掃描成像的基礎上,要求其具有操縱、加工刻蝕、電特性測量等更多的功能。目前,AFM系統以單探針結構為主,無法滿足越來越多的功能需求,為了拓展AFM系統的功能與應用范圍,本文設計了一種三探針原子力顯微鏡系統,旨在實現在對樣品掃描成像的基礎上,拓展其在納米操縱、力特性測量等研究方向上的應用,本文的主要研究內容有:(1)概述了AFM的發(fā)展背景與歷史,對國內外的AFM發(fā)展現狀進行了介紹,總結了單探針原子力顯微鏡系統存在的不足,進而提出本文的研究內容。(2)對AFM的基本工作原理進行了介紹,總結了AFM系統的工作模式以及探針懸臂梁微位移的檢測方法。以光束偏轉法作為本設計中探針懸臂梁微位移的檢測方法,建立了液體環(huán)境中兩種檢測光路的數學模型,分析了減小光斑跟蹤誤差的解決方法。(3)基于光束偏轉法,設計了三探針原子力顯微鏡成像系統的光路系統,主要涉及激光器、光電探測器、反射鏡等元器件參數的計算與選型。在光路系統的基礎上,設計了系統的掃描定位與數據處理單元,最后確定了系統的整體結構并搭建了實驗光路系統,系統的掃描范圍為200μm×200μm,成像分辨率為1 nm。(4)為了驗證系統的性能,對光路系統的誤差進行了分析,通過對標準一維光柵掃描成像,評價與驗證了自制AFM系統的成像性能。在不同參數條件下,對二維光柵進行了掃描成像研究,分析了設定值、比例增益與積分增益對掃描結果的影響。對細胞進行了成像與力特性的研究,成像的目標為肝癌細胞,最后測量得到了大鼠海馬區(qū)神經細胞的力特性曲線,討論了探針接觸不同樣品時力曲線的區(qū)別,為細胞電特性的測量等實驗奠定了基礎。(5)總結了本課題的研究工作,分析了系統中存在的不足,對未來的工作進行了展望。
【學位授予單位】：長春理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TH742
【圖文】：

圖 1.1 Dimension XR 型原子力顯微鏡鏡研究現狀究人員對 AFM 的基礎理論與實際應用進行了廣泛的相互作用機制、特殊用途的探針制作、新型成像模式、硬件設備的性能優(yōu)化等方面的研究中不斷涌現出新鏡的研究主要還是集中在提高掃描速度與增大掃描范工研究所微納加工研究部的殷伯華等人[6]，提出了一方案，該方案中掃描器內的位移平臺由納米壓電陶瓷描范圍可以達到 100 μm×100 μm，利用正弦波作為驅0 line/s，研究中還分析了三角波與正弦波信號中高次樣的成像方法有效地減小了圖像的畸變。大學光電信息工程學院的謝志剛等人[7]，設計了一種統，系統具有兩種掃描方式，壓電掃描方式應用于范

圖 1.2 本原公司 CSPM5500 型原子力顯微鏡研究現狀可以看出，現有的 AFM 系統以單探針結構形式要集中在提高掃描速度與增大掃描范圍方面，算法的研究鍵，而掃描范圍的增加則受到壓電陶瓷等硬件的限制。自與掃描范圍和速度相關的研究已經做了很多，單探針 AF經相對成熟，隨著 AFM 在納米技術領域中的應用越來越經不能滿足越來越多的需求，基于 AFM 的納米加工、操求、新技術的出現，要求 AFM 系統具有更多的功能，在多的功能是未來的發(fā)展趨勢與重點。因此，針對傳統單探本文提出了一種三探針原子力顯微鏡系統方案，通過增加現 AFM 系統的功能擴展，三探針 AFM 系統中的三個探針以相互配合，在掃描成像的基礎上，可以完成對樣品的移操作，以滿足越來越多的功能需求。究內容及意義

第 2 章 原子力顯微鏡工作原理顯微鏡工作原理簡介顯微鏡（AFM）是根據原子之間的相互作用力性質對樣品進行成像間的作用力是普遍存在的，所以 AFM 不像掃描隧道顯微鏡一樣要AFM 檢測的樣品可以是導體、半導體甚至是非導體。兩個原子之隨著距離的變化而改變，當兩個原子距離較遠時吸引力起主要作用于一種相互吸引的狀態(tài)。隨著兩原子間距離的減小吸引力會逐漸減到某個值時原子之間的作用力減小至零，隨著原子之間的距離繼間的作用力將表現為排斥力。AFM 利用一根對微小力極敏感的彈探針尖端原子與樣品表面原子間的作用力，系統中微懸臂的一端固有極尖的針尖，微懸臂受力時會發(fā)生偏折，通過檢測微懸臂的偏品表面微觀形貌的測量，原子力顯微鏡的工作原理如圖 2.1 所示。

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本文編號：2832954