本文關(guān)鍵詞：基于開爾文探針力顯微鏡的次表面成像研究

  更多相關(guān)文章： 開爾文探針力顯微鏡 復(fù)合材料 次表面成像 三維重構(gòu)

【摘要】：自從掃描隧道顯微鏡(STM)問世以來,掃描探針顯微鏡(SPM)一直都是納米尺度樣品物理特性表征的重要手段之一。依據(jù)應(yīng)用不同,SPM衍生出許多變體,諸如檢測電學(xué)特性的靜電力顯微鏡(EFM)、分析力學(xué)特性的聲學(xué)原子力顯微鏡(Acoustic AFM)和表征電勢分布的開爾文探針力顯微鏡(KPFM)。隨著微電子和納米復(fù)合材料等領(lǐng)域的發(fā)展,對SPM成像檢測技術(shù)提出更高的要求,不僅要求能夠檢測樣品表面或近表面的物理特性,更希望得到樣品次表面的物理特性信息。為滿足上述需求,本文研究利用開爾文探針力顯微鏡對聚合物內(nèi)部金屬性納米摻雜材料進(jìn)行次表面成像,并基于掃描得到的平面二倍頻振幅分布,重構(gòu)摻雜材料在聚合物內(nèi)部的三維空間分布,以期為納米復(fù)合材料研究提供三維高分辨次表面成像手段。圍繞以上研究目標(biāo),本文從以下幾個(gè)方面展開研究：首先,研究KPFM進(jìn)行次表面成像應(yīng)用時(shí)各個(gè)影響因素的影響。系統(tǒng)中諸多參數(shù)的選擇對最終的成像質(zhì)量至關(guān)重要,例如系統(tǒng)參數(shù)如探針與樣品距離、針尖半徑和探針錐角和樣品因素如聚合物相對介電常數(shù)、摻雜材料的尺寸與掩埋深度。因此,本文建立了用于計(jì)算探針-復(fù)合材料樣品-金屬基底系統(tǒng)中探針上的靜電相互作用力的理論模型,并結(jié)合有限元仿真計(jì)算的方法,分析了各個(gè)參數(shù)對探針上靜電作用力大小的影響。結(jié)果表明,為達(dá)到最好的成像效果,應(yīng)選擇盡可能小的針尖樣品間距、合適的針尖半徑(約為1.5倍摻雜材料特征尺寸),探針錐角對靜電作用力影響不大。對于樣品因素,聚合物相對介電常數(shù)在4-10之間、大尺寸和淺表面的摻雜材料成像質(zhì)量較好。其次,制備復(fù)合材料樣品并進(jìn)行次表成像面實(shí)驗(yàn)分析。本文選擇碳納米管(CNT)作為聚合物復(fù)合材料中的摻雜材料,使用等摩爾的4-4-二氨基二苯醚和3-3,4-4-二苯酮四甲酸二酐混合物作聚合物基質(zhì),利用旋涂法制備了CNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%復(fù)合材料樣品。通過KPFM二倍頻處的振幅響應(yīng),檢測到聚合物內(nèi)部CNT結(jié)構(gòu)對圖像襯度的貢獻(xiàn)。當(dāng)探針與樣品間距發(fā)生改變,獲得了多幅振幅圖像,隨著間距增加,CNT結(jié)構(gòu)在次表面圖像中襯度減弱,與之前關(guān)于系統(tǒng)參數(shù)的分析結(jié)果一致。再次,探索復(fù)合材料樣品中摻雜材料三維重構(gòu)方法。KPFM二倍頻振幅圖像只能反映摻雜材料在二維平面上的分布情況,但是有時(shí)更希望得到其在聚合物內(nèi)部的三維空間分布信息。由于摻雜材料尺寸與掩埋深度會影響摻雜材料周圍的靜電作用力分布,本文利用有限元模型探索尺寸和深度與靜電力分布的關(guān)系,即與在材料正上方的靜電力峰值與橫向分布的半高寬的關(guān)系,并探索利用上述兩個(gè)參數(shù)對聚合物內(nèi)部的摻雜材料進(jìn)行三維重構(gòu)方法。最后，將檢測電學(xué)特性的KPFM與檢測力學(xué)特性的接觸共振原子力顯微鏡(CR-AFM)在次表面成像時(shí)檢測深度和橫向分辨方面進(jìn)行了比較。由于次表面成像原理的不同，KPFM與CR-AFM相比,具有相對較大的檢測深度,但橫向分辨上相對較弱。
【關(guān)鍵詞】：開爾文探針力顯微鏡 復(fù)合材料 次表面成像 三維重構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH742
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 緒論14-26
• 1.1 次表面成像需求14-18
• 1.1.1 納米電子器件次表面定位與結(jié)構(gòu)檢測14-15
• 1.1.2 材料納米缺陷檢測15-16
• 1.1.3 復(fù)合材料中摻雜材料三維分布16-18
• 1.2 SPM次表面成像技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀18-24
• 1.2.1 掃描微波顯微鏡18-19
• 1.2.2 掃描電容顯微鏡19-20
• 1.2.3 聲學(xué)原子力顯微鏡20-21
• 1.2.4 靜電力顯微鏡21-23
• 1.2.5 不同SPM次表面成像技術(shù)比較23-24
• 1.3 論文主要內(nèi)容24-25
• 1.4 本章小結(jié)25-26
• 第2章 KPFM次表面成像影響因素及參數(shù)優(yōu)化26-46
• 2.1 KPFM次表面成像分析方法26-31
• 2.1.1 KPFM的工作原理26-27
• 2.1.2 理論分析模型27-29
• 2.1.3 有限元分析模型29-31
• 2.2 理論模型與有限元模型的比較31-34
• 2.2.1 2D有限元模型31-32
• 2.2.2 理論計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果的對比32-33
• 2.2.3 探針與樣品間距及聚合物相對介電常數(shù)33
• 2.2.4 顆粒的尺寸與位置33-34
• 2.3 KPFM零維填充材料次表面成像影響因素34-40
• 2.3.1 針尖與樣品間距、針尖半徑和錐角的影響35-39
• 2.3.2 顆粒的掩埋深度與尺寸的影響39-40
• 2.4 KPFM一維填充材料次表面成像影響因素40-44
• 2.4.1 材料長度的影響40-43
• 2.4.2 一維填充材料局部空間取向的影響43-44
• 2.5 本章小結(jié)44-46
• 第3章 聚合物復(fù)合材料樣品制備及KPFM實(shí)驗(yàn)分析46-50
• 3.1 聚合物復(fù)合材料樣品制備方法及制備46-47
• 3.2 KPFM次表面成像實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析47-49
• 3.3 本章小結(jié)49-50
• 第4章 聚合物復(fù)合材料三維重構(gòu)方法50-62
• 4.1 聚合物內(nèi)部零維摻雜材料的三維重構(gòu)50-56
• 4.1.1 顆粒尺寸與掩埋深度重構(gòu)50-51
• 4.1.2 有限元仿真計(jì)算51-55
• 4.1.3 顆粒尺寸與掩埋深度重構(gòu)方法55-56
• 4.2 聚合物內(nèi)部一維摻雜材料的三維重構(gòu)56-61
• 4.2.1 一維摻雜材料長度的重構(gòu)56-57
• 4.2.2 一維摻雜材料半徑與掩埋深度的重構(gòu)57-60
• 4.2.3 一維摻雜材料半徑與掩埋深度的重構(gòu)方法60-61
• 4.3 本章小結(jié)61-62
• 第5章 KPFM與CR-AFM次表面成像對比62-68
• 5.1 KPFM與CR-AFM對比分析62
• 5.2 有限元計(jì)算與實(shí)驗(yàn)分析62-66
• 5.3 本章小結(jié)66-68
• 第6章 總結(jié)與展望68-70
• 6.1 本文工作總結(jié)68-69
• 6.2 下一步工作展望69-70
• 參考文獻(xiàn)70-76
• 致謝76-78
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果78

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本文編號：662509