原子力顯微鏡（AFM）是在微納尺度觀測(cè)以及操縱樣品的重要工具。與傳統(tǒng)的接觸模式和輕敲模式AFM相比,非共振輕敲模式AFM因?yàn)槠淇刂屏雀卟⒖赏将@取多種機(jī)械特性等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用。采用基于背景相減和同步算法相結(jié)合的方法搭建了一套自制的非共振輕敲模式AFM,并對(duì)位置檢測(cè)電路建立了通用噪聲仿真模型,優(yōu)化了位置檢測(cè)電路噪聲,從而優(yōu)化了最小可控力的精度,使其最小可控力小于50 pN。接著通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)硅材料柵格進(jìn)行形貌表征驗(yàn)證了系統(tǒng)的成像性能,以及對(duì)復(fù)合材料的形貌、粘附力、形變等多種力學(xué)性質(zhì)表征,驗(yàn)證了系統(tǒng)及成像方法的有效性。 

【文章來(lái)源】：儀器儀表學(xué)報(bào). 2020,41(02)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

AFM工作原理

非共振輕敲模式AFM核心是采用遠(yuǎn)低于懸臂共振頻率的正弦信號(hào)直接激勵(lì)Z向壓電陶瓷使其帶動(dòng)探針整體做上下運(yùn)動(dòng),同時(shí)根據(jù)同步信號(hào)得到峰值力的計(jì)算窗口,將得到的實(shí)時(shí)偏轉(zhuǎn)信號(hào)與背景信號(hào)相減后的信號(hào)作為反饋輸入來(lái)進(jìn)行成像。具體步驟為:使探針逼近樣品表面,確定樣品位置后再將探針抬離樣品,采集一定周期數(shù)的背景信號(hào),并對(duì)背景信號(hào)進(jìn)行求和取平均的數(shù)據(jù)處理,將探針再次壓至樣品表面,根據(jù)由下位機(jī)所產(chǎn)生的同步信號(hào)找到峰值力計(jì)算窗口范圍并減掉對(duì)應(yīng)的背景信號(hào),再進(jìn)行求和并取平均值后得到針尖與樣品間真正的相互作用力引起的信號(hào),并將其作為反饋信號(hào)作為PI (proportional integral)控制器的輸入,再將PI控制器的控制輸出送入高壓放大器,經(jīng)高壓放大器放大后的電壓信號(hào)控制Z向壓電陶瓷的運(yùn)動(dòng),進(jìn)而完成閉環(huán)控制,如圖2所示。1.3 機(jī)械特性提取

非共振輕敲模式AFM非常重要的優(yōu)勢(shì)在于其在形貌之外還可同步獲得力-距離的曲線(xiàn),并可從中獲得樣品的粘附力、彈性模量、能量損耗和最大形變量等一系列性質(zhì)。其針尖與樣品的作用力隨距離變化的曲線(xiàn)如圖3所示。當(dāng)針尖靠近樣品時(shí),剛開(kāi)始其作用力可忽略不計(jì)(A點(diǎn)),當(dāng)漸漸靠近時(shí),體現(xiàn)出吸引力,小于某一閾值時(shí)(B點(diǎn)),針尖與樣品瞬間接觸。之后針尖繼續(xù)壓向樣品,此時(shí)合外力表現(xiàn)為排斥力,當(dāng)探針達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)排斥力最大,此點(diǎn)作為力的峰值檢測(cè)點(diǎn),再通過(guò)采用PID (proportion integration differentiation)控制調(diào)節(jié)壓電陶瓷的位置保持該點(diǎn)處作用力與設(shè)定值相等,進(jìn)而進(jìn)行形貌成像,在達(dá)到最低點(diǎn)后針尖抬起過(guò)程中將會(huì)受到樣品對(duì)探針粘附力的作用,探針抬離過(guò)程中粘附力對(duì)針尖將會(huì)產(chǎn)生阻礙作用直到針尖脫離樣品時(shí),由于粘附力的忽然消失使懸臂產(chǎn)生衰減振動(dòng)(D點(diǎn))。粘附力主要表現(xiàn)在針尖脫離樣品時(shí)的瞬間的吸引力,包括范德華力、靜電力等,通過(guò)力曲線(xiàn)的D點(diǎn)便可以進(jìn)行粘附力成像。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]原子力顯微鏡系統(tǒng)FAIT-PI控制器設(shè)計(jì)[J]. 張勝,許紅梅,尹耀庭,劉子瑜.  電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào). 2019(11)
[2]基于原子力顯微鏡PeakForce QNM模式下的水泥基材料微區(qū)力學(xué)性能研究[J]. 羅曉雷,施韜,顧元.  科技通報(bào). 2019(05)
[3]基于圖像聚焦定位的AFM自動(dòng)逼近方法研究[J]. 劉劍,馬駿馳,于鵬,魏陽(yáng)杰,袁帥.  儀器儀表學(xué)報(bào). 2018(01)
[4]基于隨機(jī)方法的AFM探針位置最優(yōu)估算研究[J]. 袁帥,堯曉,欒方軍,郭聳,馮吉遠(yuǎn).  儀器儀表學(xué)報(bào). 2017(09)
[5]A Practical Pll-Based Drive Circuit with Ultra-Low-Noise Tia for Mems Gyroscope[J]. CHEN Hua,ZHONG Yanqing,MENG Zhen.  Instrumentation. 2017(03)
[6]我國(guó)微納幾何量計(jì)量技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 高思田,李琪,施玉書(shū),李偉,黃鷺.  儀器儀表學(xué)報(bào). 2017(08)
[7]動(dòng)態(tài)原子力顯微鏡懸臂高階諧振相位特性研究[J]. 黃強(qiáng)先,張蕤,張連生,趙陽(yáng),陳麗娟.  電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào). 2016(09)



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