本文關(guān)鍵詞：超聲原子力顯微鏡的亞表面成像機(jī)制分析

  更多相關(guān)文章： 超聲原子力顯微鏡 亞表面成像 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 環(huán)境控制

【摘要】：亞表面納米成像技術(shù)在生物亞細(xì)胞現(xiàn)象觀測、微納器件缺陷檢測、納米復(fù)合材料表征等領(lǐng)域有迫切需求。結(jié)合超聲振動調(diào)制的原子力顯微術(shù)可實現(xiàn)樣品內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)的超高分辨率、非破壞性檢測,具有良好的應(yīng)用潛力。然而,目前采用超聲原子力顯微鏡的亞表面納米成像多為內(nèi)部結(jié)構(gòu)的定性檢測,而缺乏成像影響因素的系統(tǒng)分析以及檢測能力的定量表征方法。針對基于超聲原子力顯微鏡亞表面成像機(jī)制尚未十分清楚的現(xiàn)狀,本文分別從理論及實驗方面進(jìn)行研究,以明確檢測振動信號與亞表面結(jié)構(gòu)特性和眾多關(guān)鍵影響因素的關(guān)聯(lián),為后續(xù)定量化亞表面分析應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。在理論分析方面,亞表面納米結(jié)構(gòu)會引起原子力顯微鏡針尖和樣品接觸作用的變化,從而致使探針的超聲振動響應(yīng)信號產(chǎn)生改變,因此探針振動信號如振幅/相位/頻率等蘊(yùn)含豐富的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性信息�；诖怂悸�,我們建立了超聲原子力顯微鏡成像的力學(xué)模型。該模型主要包括懸臂梁非線性振動分析模型和針尖與樣品間接觸作用模型。其中,懸臂梁的非線性振動理論模型按照與實際實驗設(shè)置相比的簡化程度,對比分析了簡單模型、針尖位置模型、不帶針尖位置的橫向力模型和帶針尖位置的橫向力模型等四種模型,闡明了各自的適用場合。隨后,在理論得出的振動響應(yīng)和接觸剛度規(guī)律關(guān)系基礎(chǔ)上,探討了成像參數(shù)如法向力、振動模態(tài)及針尖半徑等關(guān)鍵因素對亞表面檢測中局域彈性模量的分辨率及靈敏度的影響。為進(jìn)一步揭示理論分析得出的針尖／樣品間接觸剛度與內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)特性間的關(guān)聯(lián),我們采用有限元方法對典型內(nèi)含氣泡或球形顆粒的亞表面結(jié)構(gòu)檢測進(jìn)行了仿真計算。首先,在樣品特性參數(shù)方面,系統(tǒng)研究了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸、掩埋深度、彈性模量及相鄰結(jié)構(gòu)間的耦合等對等效接觸剛度的影響。然后,為優(yōu)化選擇亞表面成像參數(shù),分析了法向作用力、針尖位置、檢測光點(diǎn)位置對成像襯度及接觸共振頻率的影響。在實驗方面,為對比不同的探針或樣品激勵方式對亞表面成像的影響,搭建了結(jié)合樣品超聲激勵的原子力聲學(xué)顯微鏡、探針超聲激勵的超聲原子力顯微鏡、探針和樣品同時超聲激勵的差頻力顯微鏡多模式自由切換的實驗平臺。我們以高定向熱解石墨樣品為例,驗證該實驗系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)納米成像功能,表明這三種操作模式均可實現(xiàn)高定向熱解石墨的亞表面成像和缺陷檢測。為實現(xiàn)對儀器的亞表面表征能力的定量化評估,我們設(shè)計并加工了一系列具有已知尺寸及深度的參考樣品,并進(jìn)行了初步亞表面成像測試。為了填補(bǔ)溫度、濕度對原子力顯微鏡尺寸測量的影響研究的空缺,我們開展了系列分析實驗。主要考察了兩種不同控制環(huán)境下即儀器整體工作環(huán)境和樣品局域環(huán)境對標(biāo)準(zhǔn)二維光柵的原子力顯微鏡尺寸測量結(jié)果的定量影響。
【關(guān)鍵詞】：超聲原子力顯微鏡 亞表面成像 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 環(huán)境控制
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH742
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 緒論11-28
• 1.1 亞表面成像技術(shù)11-19
• 1.1.1 亞表面成像技術(shù)的需求11-12
• 1.1.2 亞表面材料檢測方法12-15
• 1.1.3 基于SPM的亞表面成像技術(shù)的發(fā)展15-19
• 1.2 聲學(xué)原子力顯微鏡19-26
• 1.2.1 超聲原子力顯微鏡的發(fā)展20-24
• 1.2.2 超聲原子力顯微鏡的應(yīng)用研究進(jìn)展24-25
• 1.2.3 總結(jié)25-26
• 1.3 論文課題來源與主要研究內(nèi)容26-28
• 第二章 超聲振動調(diào)制原子力顯微鏡的成像機(jī)理理論分析28-42
• 2.1 懸臂梁非線性振動28-34
• 2.1.1 自由振動的懸臂梁模型28-30
• 2.1.2 幾種簡化的接觸共振模型30-34
• 2.2 探針-樣品接觸作用模型34-35
• 2.3 結(jié)果分析35-41
• 2.3.1 模型的可靠性分析及模型之間的對比35-37
• 2.3.2 影響因素的分析37-41
• 2.4 本章小結(jié)41-42
• 第三章 基于超聲原子力顯微鏡亞表面結(jié)構(gòu)成像的有限元分析42-58
• 3.1 亞表面結(jié)構(gòu)特性對成像襯度影響42-49
• 3.1.1 有限元建模與方法42-44
• 3.1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)掩埋深度44-46
• 3.1.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸46-47
• 3.1.4 深度及尺寸的耦合影響47-48
• 3.1.5 內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料特性48-49
• 3.1.6 小結(jié)49
• 3.2 成像條件參數(shù)對成像襯度影響49-56
• 3.2.1 等效接觸剛度50-52
• 3.2.2 檢測光點(diǎn)位置52-55
• 3.2.3 水平間距分辨力55-56
• 3.3 本章小結(jié)56-58
• 第四章 超聲原子力顯微鏡的系統(tǒng)構(gòu)建及亞表面成像應(yīng)用實驗58-78
• 4.1 超聲原子力顯微鏡的系統(tǒng)平臺構(gòu)建58-68
• 4.1.1 實驗系統(tǒng)搭建59-61
• 4.1.2 原子力聲學(xué)顯微鏡61-62
• 4.1.3 超聲原子力顯微鏡62
• 4.1.4 缺陷檢測62-65
• 4.1.5 石墨缺陷樣品楊氏模量的第一性原理計算65-68
• 4.1.6 小結(jié)68
• 4.2 參考樣品的設(shè)計、加工及測試68-73
• 4.2.1 參考樣品的設(shè)計、加工及測試68-71
• 4.2.2 顆粒復(fù)合樣品的設(shè)計與加工71-73
• 4.3 在顆粒及碳納米管復(fù)合材料上的成像應(yīng)用73-77
• 4.3.1 在顆粒復(fù)合樣品上的成像檢測73-76
• 4.3.2 在碳納米管復(fù)合樣品上的成像檢測76-77
• 4.4 本章小結(jié)77-78
• 第五章 環(huán)境因素對原子力顯微鏡測量精度的影響分析78-93
• 5.1 研究背景79-80
• 5.2 整機(jī)環(huán)境影響實驗設(shè)計80-82
• 5.3 AFM整機(jī)的環(huán)境對尺寸測量誤差的影響82-88
• 5.3.1 實驗安排82-84
• 5.3.2 結(jié)果與討論84-88
• 5.4 AFM樣品局部的環(huán)境對尺寸測量誤差的影響88-91
• 5.4.1 實驗安排88-89
• 5.4.2 結(jié)果與討論89-91
• 5.5 課題來源及本章小結(jié)91-93
• 第六章 總結(jié)與展望93-97
• 6.1 主要工作總結(jié)93-95
• 6.1.1 論文研究內(nèi)容總結(jié)93-94
• 6.1.2 論文創(chuàng)新性總結(jié)94-95
• 6.2 展望95-97
• 參考文獻(xiàn)97-104
• 致謝104-106
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果106

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張群;原子力顯微鏡[J];上海計量測試;2002年05期

2 伍媛婷,王秀峰,程冰;原子力顯微鏡在材料研究中的應(yīng)用[J];稀有金屬快報;2005年04期

3 馬榮駿;原子力顯微鏡及其應(yīng)用[J];礦冶工程;2005年04期

4 楊金濤;徐文東;;針尖掃描原子力顯微鏡的光點(diǎn)跟蹤設(shè)計[J];中國激光;2006年01期

5 張峰;唐琳;徐洪杰;何建華;;一種高效、簡便原子力顯微鏡液體中原位實驗方法[J];現(xiàn)代儀器;2006年02期

6 劉歲林;田云飛;陳紅;吉曉江;;原子力顯微鏡原理與應(yīng)用技術(shù)[J];現(xiàn)代儀器;2006年06期

7 唐卓;戴如春;廖二元;;原子力顯微鏡在骨微納觀結(jié)構(gòu)與功能研究中的應(yīng)用[J];中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志;2008年06期

8 張濤;曹志軍;張利軍;張娟;;原子力顯微鏡在檢驗檢疫工作中的應(yīng)用[J];檢驗檢疫科學(xué);2008年06期

9 孫曉鳳;惠飛;何品剛;方禹之;;新型電化學(xué)原子力顯微鏡的研制[J];分析儀器;2010年01期

10 李艷青;智麗麗;;原子力顯微鏡的原理及其在生命科學(xué)中的應(yīng)用[J];昌吉學(xué)院學(xué)報;2010年03期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 褚明福;肖灑;鄒樂西;仲敬榮;任清波;;金屬鈾氧化的拉曼光譜和原子力顯微鏡在線研究[A];中國工程物理研究院科技年報(2008年版)[C];2009年

2 孫全梅;陳佩佩;陳龍;吳承東;楊煥杰;韓東;;原子力顯微鏡在微循環(huán)研究中的應(yīng)用[A];中國中西醫(yī)結(jié)合學(xué)會微循環(huán)2009學(xué)術(shù)大會會議指南及論文摘要[C];2009年

3 錢建強(qiáng);李淵;華寶成;李英姿;;火星探測原子力顯微鏡幾個關(guān)鍵技術(shù)的研究[A];中國宇航學(xué)會深空探測技術(shù)專業(yè)委員會第六屆學(xué)術(shù)年會暨863計劃“深空探測與空間實驗技術(shù)”重大項目學(xué)術(shù)研討會論文集[C];2009年

4 王曉東;紀(jì)小龍;;透過原子力顯微鏡觀察細(xì)胞看病理學(xué)科發(fā)展[A];中華醫(yī)學(xué)會病理學(xué)分會2010年學(xué)術(shù)年會日程及論文匯編[C];2010年

5 楊金濤;徐文東;;原子力顯微鏡系統(tǒng)中的光點(diǎn)跟蹤設(shè)計[A];上海市激光學(xué)會2005年學(xué)術(shù)年會論文集[C];2005年

6 胡慶泉;陳立群;;原子力顯微鏡微懸臂梁非線性振動分析[A];慶祝中國力學(xué)學(xué)會成立50周年暨中國力學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)大會’2007論文摘要集（下）[C];2007年

7 宋維旭;趙曉云;伍津津;朱堂友;楊桂紅;;應(yīng)用原子力顯微鏡對不同類型膠原蛋白與細(xì)胞粘附的研究[A];中華醫(yī)學(xué)會第十五次全國皮膚性病學(xué)術(shù)會議論文集[C];2009年

8 丁海濤;;激光共聚焦顯微鏡和原子力顯微鏡聯(lián)用對活細(xì)胞的相關(guān)研究[A];中華醫(yī)學(xué)會第八次全國檢驗醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)會議暨中華醫(yī)學(xué)會檢驗分會成立30周年慶典大會資料匯編[C];2009年

9 紀(jì)星涉;魏煥萍;單云官;;原子力顯微鏡在病理診斷中的應(yīng)用[A];第二屆全國解剖學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會議論文集[C];2009年

10 黃水花;黎全;黃云;楊開勇;劉賤平;;原子力顯微鏡實驗教學(xué)方法探索[A];2006—2010年教育部高等學(xué)校光電信息科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會及協(xié)作委員會2009年全體會議論文集[C];2009年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 創(chuàng)文;本原納米儀器公司承擔(dān)863課題[N];科技日報;2008年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 楊光;基于ARM的掃描探針顯微鏡系統(tǒng)的研究[D];長春理工大學(xué);2016年

2 王天;超聲原子力顯微鏡的亞表面成像機(jī)制分析[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

3 高思田;計量型原子力顯微鏡的研究[D];天津大學(xué);2007年

4 周嫻瑋;原子力顯微鏡成像與納米操作控制的研究[D];南開大學(xué);2009年

5 竇建華;原子力顯微鏡針尖－表面相互作用分子動力學(xué)仿真研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

6 胡慶泉;原子力顯微鏡動力學(xué)行為分析[D];上海大學(xué);2007年

7 董曉坤;高速原子力顯微鏡的成像方法研究[D];南開大學(xué);2012年

8 楊春來;超聲振動原子力顯微鏡成像研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

9 張冬仙;原子力顯微術(shù)的新方法研究及新型原子力顯微鏡系統(tǒng)研制[D];浙江大學(xué);2004年

10 劉穎;細(xì)胞與亞細(xì)胞層面上對穩(wěn)恒磁場—抗癌藥物聯(lián)合效應(yīng)的AFM研究[D];陜西師范大學(xué);2011年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 孫曉鳳;電化學(xué)原子力顯微鏡的研制[D];華東師范大學(xué);2010年

2 吳召洪;用原子力顯微鏡研究炭黑表面活性[D];四川理工學(xué)院;2015年

3 趙爽;濕度對原子力顯微鏡成像的影響[D];北京化工大學(xué);2015年

4 王興亞;基于原子力顯微鏡及透射式掃描軟X射線顯微成像術(shù)的固液界面納米氣泡的研究[D];寧波大學(xué);2015年

5 孫星星;超聲原子力顯微鏡的微觀力學(xué)性能仿真研究[D];安徽工程大學(xué);2015年

6 李欣;面向等離子體材料輻照缺陷的演化研究[D];長春理工大學(xué);2014年

7 鄭志月;基于qPlus技術(shù)的原子力顯微鏡測頭及其校準(zhǔn)方法的研究[D];中國計量學(xué)院;2015年

8 陳少奇;雙探針原子力顯微鏡測頭機(jī)電系統(tǒng)的研究[D];浙江理工大學(xué);2016年

9 吉艷鳳;金屬—絕緣體—金屬/半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電學(xué)性質(zhì)研究[D];蘇州大學(xué);2016年

10 邱晗;基于原子力顯微鏡的納米梁諧振器振動特性的測試技術(shù)研究[D];天津大學(xué);2009年

，

本文編號：572429