微納機(jī)電系統(tǒng)(（Micro/Nano-electromechanical System,MEMS/NEMS）的核心部件——微納諧振器有著高靈敏度、高品質(zhì)因數(shù)、高諧振頻率等多種優(yōu)越的性能。原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope,AFM）的核心部件探針就是一種微納諧振器。在工作過程中,隨著探針從距離樣品表面較遠(yuǎn)到接近樣品,最后接觸樣品表面,探針系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性一直都在改變。本文通過建立輕敲模式下的AFM動(dòng)力學(xué)模型,分析和驗(yàn)證了探針在工作過程中的動(dòng)力學(xué)行為變化規(guī)律,在此基礎(chǔ)上提出了改善相位圖成像質(zhì)量的方法并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。具體內(nèi)容如下:首先,建立輕敲模式下的AFM系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。針對(duì)微懸臂梁上的單位微元進(jìn)行受力分析并求解了歐拉貝努利梁模型的振動(dòng)微分方程,分析了自由端簡(jiǎn)諧力激勵(lì)和固定端位移激勵(lì)兩種模型的異同點(diǎn);再將這兩種連續(xù)體模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化為單自由度的質(zhì)量彈簧系統(tǒng),推導(dǎo)了兩種模型的等效原則并創(chuàng)新性地提出了等效阻尼和等效位移激勵(lì)的表達(dá)式。其次,分析和驗(yàn)證了 AFM系統(tǒng)在工作過程中的能量耗散機(jī)理變化。分別建立了探針在遠(yuǎn)離樣品時(shí)的空氣黏性阻尼耗散模型,探針在靠近樣品期間的空氣壓... 

【文章來源】：北京化工大學(xué)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：111 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖１－１?ＡＦＭ接觸模式示意圖??

?北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文????二…?１??（ａ）?（ｂ）??圖１－１?ＡＦＭ接觸模式示意圖??（ａ）恒力模式?（ｂ）恒高模式??Ｆｉｇ．?１－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＡＦＭ?Ｃｏｎｔａｃｔ?Ｍｏｄｅ??（ａ）Ｃｏｎｓｔａｎｔ－ｆｏｒｃｅ?Ｍｏｄｅ?（ｂ）?Ｃｏｎｓｔａｎｔ－ｈｅｉｇｈｔ?Ｍｏｄｅ??輕敲模式又被稱為間歇接觸模式（（Ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ－Ｃｏｎｔａｃｔ?Ｍｏｄｅ）［１（＞］。在輕敲模式下，??ＡＦＭ系統(tǒng)通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器對(duì)探針施加激振頻率，激振頻率會(huì)略小于探針的一階??固有頻率；此時(shí)探針針尖會(huì)間歇性接觸樣品表面，通過探針自由端位移信號(hào)的變化，??軟件可以繪制出樣品表面的形貌圖；再對(duì)比探針針尖的振動(dòng)信號(hào)與ＡＦＭ系統(tǒng)施加的??激勵(lì)信號(hào)之間的相位滯后量差值變化，軟件還可以繪制出樣品表面的相位圖。相對(duì)于??只能體現(xiàn)樣品表面高度變化的高度像，相位像可以精確地識(shí)別出樣品表面在同一高度??下不同物理性質(zhì)的變化［１１］。輕敲模式下探針掃描樣品的速度比接觸模式慢，花費(fèi)時(shí)間??較長(zhǎng)，但可以在不怎么損害樣品表面的情況下保證較好的掃描精度，多使用在柔軟、??脆性大、黏附力大的樣品上［１２，１３］。?????（ａ）?（ｂ）??圖１－２?ＡＦＭ兩種工作模式示意圖??（ａ）輕敲模式?（ｂ）非接觸模式??Ｆｉｇ?１－２?ＡＦＭ?Ｔａｐｐｉｎｇ?Ｍｏｄｅ?ａｎｄ?Ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ?Ｍｏｄｅ??（ａ）?Ｔａｐ?ｍｏｄｅ?（ｂ）?Ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ?Ｍｏｄｅ??非接觸模式則是探針針尖與樣品表面保持５－２０ｎｍ的距離進(jìn)行非接觸掃描Ｍｌ。在??非接觸模式下，ＡＦＭ系統(tǒng)通過壓電陶瓷

校ＡＦＭ系統(tǒng)通過反饋機(jī)制調(diào)整控制探針自由端的振幅變化量保持恒定，便可以繪??制出樣品表面的形貌圖。非接觸模式可以最好地保護(hù)樣品表面形貌，但分辨率較低，??而且掃描速度在三種工作模式中最慢，因此多用于液體環(huán)境中的掃描成像。??對(duì)比上述三種模式可以發(fā)現(xiàn)，輕敲模式掃描速度較快，掃描精度較高、工作限制??較少，并且對(duì)樣品表面破壞較校因此在研宄樣品的表面性質(zhì)時(shí)，輕敲模式是ＡＦＭ??系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的掃描模式［１５］。??１．３ＡＦＭ的工作原理??ＡＦＭ的核心部件探針以及激勵(lì)檢測(cè)部分示意圖如圖１－３所示。激光打到探針自由??端并反射到位移傳感器（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ?Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ?Ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ＰＳＤ）上便可以得到探針自由端的??位移信號(hào)［％。當(dāng)探針針尖靠近樣品表面，樣品表面的形貌變換或材質(zhì)特性改變會(huì)使得??探針－樣品間作用力同樣發(fā)生改變，進(jìn)而改變探針自由端的振動(dòng)響應(yīng)；此時(shí)由于探針自??由端的偏移，ＰＳＤ上的反射光同樣發(fā)生偏移，系統(tǒng)通過ＰＳＤ將探針偏移量記錄下來??并通過信號(hào)處理轉(zhuǎn)化并繪制出形貌圖。通過對(duì)比探針針尖的振動(dòng)信號(hào)與探針固定端激??勵(lì)信號(hào)的相位滯后量的變化，軟件還可以繪制出樣品表面的相位圖??規(guī)探測(cè)器??Ｉｆ＂??圖１－３?ＴＭ－ＡＦＭ系統(tǒng)的核心部件工作原理圖??Ｆｉｇ?１－３?Ｗｏｒｋｉｎｇ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｃｏｒｅ?ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ＴＭ－ＡＦＭ?ｓｙｓｔｅｍ??顯微鏡探針包含三部分：基座、微懸臂梁和針尖。微梁部分的右端為固定端，固??定在原子力顯微鏡的基體部分上，另外一端為帶針尖的自由端。微梁的長(zhǎng)度通常為??１００－５００ｐｍ，厚度為５０〇ｎｍ－５ｇｍ，

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]壓膜阻尼對(duì)原子力顯微鏡振動(dòng)特性的影響研究[J]. 柳世華,魏征,孫巖,劉運(yùn)鴻.  振動(dòng)與沖擊. 2020(11)
[2]原子力顯微鏡探針振動(dòng)的簡(jiǎn)化模型分析[J]. 丁文璇,劉運(yùn)鴻,魏征.  力學(xué)與實(shí)踐. 2017(05)
[3]輕敲模式下原子力顯微鏡的能量耗散[J]. 魏征,孫巖,王再冉,王克儉,許向紅.  力學(xué)學(xué)報(bào). 2017(06)
[4]微納機(jī)械諧振器能量耗散機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 張文明,閆寒,彭志科,孟光.  科學(xué)通報(bào). 2017(19)
[5]MEMS系統(tǒng)中微平板結(jié)構(gòu)聲振耦合性能研究[J]. 唐宇帆,任樹偉,辛鋒先,盧天健.  力學(xué)學(xué)報(bào). 2016(04)
[6]原子力顯微鏡中液橋生成機(jī)理探討[J]. 魏征,趙爽,陳少勇,丁文璇.  應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué). 2015(01)
[7]原子力顯微鏡在輕敲模式下的動(dòng)力學(xué)模型[J]. 樊康旗,賈建援,朱應(yīng)敏,劉小院.  物理學(xué)報(bào). 2007(11)
[8]微梁諧振器中的空氣阻尼[J]. 馮闖,趙亞溥,劉冬青.  北京科技大學(xué)學(xué)報(bào). 2007(08)

博士論文
[1]原子力顯微鏡動(dòng)力學(xué)行為分析[D]. 胡慶泉.上海大學(xué) 2007



本文編號(hào)：3603884