原子力顯微鏡（AFM）是在微納尺度觀測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因為其控制力精度高并可同步獲取多種機械特性等優(yōu)勢得到了廣泛的應用。采用基于背景相減和同步算法相結合的方法搭建了一套自制的非共振輕敲模式AFM,并對位置檢測電路建立了通用噪聲仿真模型,優(yōu)化了位置檢測電路噪聲,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。接著通過對標準硅材料柵格進行形貌表征驗證了系統(tǒng)的成像性能,以及對復合材料的形貌、粘附力、形變等多種力學性質表征,驗證了系統(tǒng)及成像方法的有效性。 

【文章來源】：儀器儀表學報. 2020,41(02)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

AFM工作原理

非共振輕敲模式AFM核心是采用遠低于懸臂共振頻率的正弦信號直接激勵Z向壓電陶瓷使其帶動探針整體做上下運動,同時根據(jù)同步信號得到峰值力的計算窗口,將得到的實時偏轉信號與背景信號相減后的信號作為反饋輸入來進行成像。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,并對背景信號進行求和取平均的數(shù)據(jù)處理,將探針再次壓至樣品表面,根據(jù)由下位機所產生的同步信號找到峰值力計算窗口范圍并減掉對應的背景信號,再進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,并將其作為反饋信號作為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,經高壓放大器放大后的電壓信號控制Z向壓電陶瓷的運動,進而完成閉環(huán)控制,如圖2所示。1.3 機械特性提取

非共振輕敲模式AFM非常重要的優(yōu)勢在于其在形貌之外還可同步獲得力-距離的曲線,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。其針尖與樣品的作用力隨距離變化的曲線如圖3所示。當針尖靠近樣品時,剛開始其作用力可忽略不計(A點),當漸漸靠近時,體現(xiàn)出吸引力,小于某一閾值時(B點),針尖與樣品瞬間接觸。之后針尖繼續(xù)壓向樣品,此時合外力表現(xiàn)為排斥力,當探針達到最低點時排斥力最大,此點作為力的峰值檢測點,再通過采用PID (proportion integration differentiation)控制調節(jié)壓電陶瓷的位置保持該點處作用力與設定值相等,進而進行形貌成像,在達到最低點后針尖抬起過程中將會受到樣品對探針粘附力的作用,探針抬離過程中粘附力對針尖將會產生阻礙作用直到針尖脫離樣品時,由于粘附力的忽然消失使懸臂產生衰減振動(D點)。粘附力主要表現(xiàn)在針尖脫離樣品時的瞬間的吸引力,包括范德華力、靜電力等,通過力曲線的D點便可以進行粘附力成像。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]原子力顯微鏡系統(tǒng)FAIT-PI控制器設計[J]. 張勝,許紅梅,尹耀庭,劉子瑜.  電子測量與儀器學報. 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)力學性能研究[J]. 羅曉雷,施韜,顧元.  科技通報. 2019(05)
[3]基于圖像聚焦定位的AFM自動逼近方法研究[J]. 劉劍,馬駿馳,于鵬,魏陽杰,袁帥.  儀器儀表學報. 2018(01)
[4]基于隨機方法的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.  儀器儀表學報. 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]我國微納幾何量計量技術的研究進展[J]. 高思田,李琪,施玉書,李偉,黃鷺.  儀器儀表學報. 2017(08)
[7]動態(tài)原子力顯微鏡懸臂高階諧振相位特性研究[J]. 黃強先,張蕤,張連生,趙陽,陳麗娟.  電子測量與儀器學報. 2016(09)



本文編號：3384760