【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(shù)研究中一個(gè)重要的工具,其在多個(gè)領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。AFM作為掃描探針顯微鏡家族的新成員,由于對(duì)樣品所處環(huán)境的要求更加寬松,這使其在生物科學(xué)研究領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,對(duì)AFM功能性的要求越來越高,在對(duì)樣品掃描成像的基礎(chǔ)上,要求其具有操縱、加工刻蝕、電特性測(cè)量等更多的功能。目前,AFM系統(tǒng)以單探針結(jié)構(gòu)為主,無法滿足越來越多的功能需求,為了拓展AFM系統(tǒng)的功能與應(yīng)用范圍,本文設(shè)計(jì)了一種三探針原子力顯微鏡系統(tǒng),旨在實(shí)現(xiàn)在對(duì)樣品掃描成像的基礎(chǔ)上,拓展其在納米操縱、力特性測(cè)量等研究方向上的應(yīng)用,本文的主要研究?jī)?nèi)容有:(1)概述了AFM的發(fā)展背景與歷史,對(duì)國內(nèi)外的AFM發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹,總結(jié)了單探針原子力顯微鏡系統(tǒng)存在的不足,進(jìn)而提出本文的研究?jī)?nèi)容。(2)對(duì)AFM的基本工作原理進(jìn)行了介紹,總結(jié)了AFM系統(tǒng)的工作模式以及探針懸臂梁微位移的檢測(cè)方法。以光束偏轉(zhuǎn)法作為本設(shè)計(jì)中探針懸臂梁微位移的檢測(cè)方法,建立了液體環(huán)境中兩種檢測(cè)光路的數(shù)學(xué)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(zhuǎn)法,設(shè)計(jì)了三探針原子力顯微鏡成像系統(tǒng)的光路系統(tǒng),主要涉及激光器、光電探測(cè)器、反射鏡等元器件參數(shù)的計(jì)算與選型。在光路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的掃描定位與數(shù)據(jù)處理單元,最后確定了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)并搭建了實(shí)驗(yàn)光路系統(tǒng),系統(tǒng)的掃描范圍為200μm×200μm,成像分辨率為1 nm。(4)為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能,對(duì)光路系統(tǒng)的誤差進(jìn)行了分析,通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)一維光柵掃描成像,評(píng)價(jià)與驗(yàn)證了自制AFM系統(tǒng)的成像性能。在不同參數(shù)條件下,對(duì)二維光柵進(jìn)行了掃描成像研究,分析了設(shè)定值、比例增益與積分增益對(duì)掃描結(jié)果的影響。對(duì)細(xì)胞進(jìn)行了成像與力特性的研究,成像的目標(biāo)為肝癌細(xì)胞,最后測(cè)量得到了大鼠海馬區(qū)神經(jīng)細(xì)胞的力特性曲線,討論了探針接觸不同樣品時(shí)力曲線的區(qū)別,為細(xì)胞電特性的測(cè)量等實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。(5)總結(jié)了本課題的研究工作,分析了系統(tǒng)中存在的不足,對(duì)未來的工作進(jìn)行了展望。
【學(xué)位授予單位】：長(zhǎng)春理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH742
【圖文】：

圖 1.1 Dimension XR 型原子力顯微鏡鏡研究現(xiàn)狀究人員對(duì) AFM 的基礎(chǔ)理論與實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的相互作用機(jī)制、特殊用途的探針制作、新型成像模式、硬件設(shè)備的性能優(yōu)化等方面的研究中不斷涌現(xiàn)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(nèi)的位移平臺(tái)由納米壓電陶瓷描范圍可以達(dá)到 100 μm×100 μm，利用正弦波作為驅(qū)0 line/s，研究中還分析了三角波與正弦波信號(hào)中高次樣的成像方法有效地減小了圖像的畸變。大學(xué)光電信息工程學(xué)院的謝志剛等人[7]，設(shè)計(jì)了一種統(tǒng)，系統(tǒng)具有兩種掃描方式，壓電掃描方式應(yīng)用于范

圖 1.2 本原公司 CSPM5500 型原子力顯微鏡研究現(xiàn)狀可以看出，現(xiàn)有的 AFM 系統(tǒng)以單探針結(jié)構(gòu)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(guān)的研究已經(jīng)做了很多，單探針 AF經(jīng)相對(duì)成熟，隨著 AFM 在納米技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越經(jīng)不能滿足越來越多的需求，基于 AFM 的納米加工、操求、新技術(shù)的出現(xiàn)，要求 AFM 系統(tǒng)具有更多的功能，在多的功能是未來的發(fā)展趨勢(shì)與重點(diǎn)。因此，針對(duì)傳統(tǒng)單探本文提出了一種三探針原子力顯微鏡系統(tǒng)方案，通過增加現(xiàn) AFM 系統(tǒng)的功能擴(kuò)展，三探針 AFM 系統(tǒng)中的三個(gè)探針以相互配合，在掃描成像的基礎(chǔ)上，可以完成對(duì)樣品的移操作，以滿足越來越多的功能需求。究?jī)?nèi)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(jiǎn)介顯微鏡（AFM）是根據(jù)原子之間的相互作用力性質(zhì)對(duì)樣品進(jìn)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(cè)的樣品可以是導(dǎo)體、半導(dǎo)體甚至是非導(dǎo)體。兩個(gè)原子之隨著距離的變化而改變，當(dāng)兩個(gè)原子距離較遠(yuǎn)時(shí)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(huì)逐漸減到某個(gè)值時(shí)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(xiàn)為排斥力。AFM 利用一根對(duì)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(tǒng)中微懸臂的一端固有極尖的針尖，微懸臂受力時(shí)會(huì)發(fā)生偏折，通過檢測(cè)微懸臂的偏品表面微觀形貌的測(cè)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(hào)：2832954