基于硅悬臂高阶谐振的动态原子力显微镜的快速扫描

利用原子力显微镜(AFM)硅悬臂器件具有多阶谐振模态的特性,提出了基于硅悬臂高阶谐振特性构建动态AFM来实现快速扫描的方法,并研制了可工作于一阶模态和高阶模态的AFM。介绍了高阶谐振AFM系统的基本结构和工作原理,从理论上证明了利用硅悬臂梁高阶谐振特性实现快速扫描的可行性。以自制的AFM为研究对象,分析了影响动态AFM扫描速度的主要因素,对系统各模块的响应时间进行了分析、测试,并通过实验证明了AFM在二阶谐振模态下的稳定时间明显小于一阶谐振模态下的稳定时间。最后,分别用一阶、二阶谐振模态对光栅试样在同一区域的表面形貌进行了扫描测试,测试数据表明:在相同条件下,AFM的扫描速度在二阶谐振模态下约是一阶模态下的3.3倍。理论分析和实验结果证明了利用高阶谐振探针提高AFM扫描速度的可行性和有效性。     

基于快速原子力显微镜的正弦驱动信号设计

随着人们对微观世界的探知需求,原子力显微镜（AFM）的扫描速度与扫描范围愈发限制其在纳米级领域的应用。各种提高AFM扫描速度的手段应运而生。通过分析扫描速度过快对图像的影响以及对正弦驱动可行性的考察,利用Filed Programmable Gate Array（FPGA）为核心,结合基于PCI04控制系统的AFM的快速扫描的特点,设计正弦波驱动信号。设计中采用查表的方式以及嵌入式nios Ⅱ处理器,实现正弦信号的输出与串口通讯。从而将AFM扫描探针的驱动信号由传统的三角波变为正弦波以提高其扫描速度。     

原子力显微镜和皮革胶原纤维精细结构研究

本文简要说明了原子力显微镜(AFM)的原理,和它在猪皮胶原纤维精细结构研究中的情况。     

原子力显微镜在DNA领域中研究应用

原子力显微镜(AFM)是研究DNA有力工具,在对DNA研究中有其独特优势。本文概述原子力显微镜DNA研究中应用以及取得进展。虽然原子力显微镜在研究DNA研究中仍有局限性,但随着原子力显微技术及相关技术发展,原子力显微镜在DNA中研究必将不断深入。     

用原子力显微镜扫描测量金刚石刀具刃口半径

介绍了应用原子力显微镜（ＡＦＭ）扫描测量超精密加工用金刚石刀具刃口半径的方法,给出了测量图象和测量结果。该方法可提高金刚石刀具刃口半径的测量精度,对进一步分析刃口参数对超精密加工表面质量的影响具有一定指导意义。     

用原子力显微镜观察水流处理后的DNA图案

原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)由于自身的优势,在生物领域内应用越来越广泛。同时,DNA分子由于其稳定的物理化学性质而成为纳米领域的重要实验材料,近阶段把它作为模板应用在构建纳米线等方面的研究越来越多,而怎样建立有规则图样的DNA模板就成为一个关键问题。本文介绍用原子力显微镜观察液流操纵后的DNA规则图案。     

基于原子力显微的多模式扫描探针显微镜

扫描探针显微镜是目前世界上分辨率最高的显微镜之一,也是纳米技术研究的主要工具。本文在分析原子力显微镜工作原理的基础上,探讨多模式扫描探针显微镜的相关功能,并对扫描探针显微镜的发展前景进行展望。     

使用自激振荡法提高原子力光子扫描隧道组合显微镜的扫描速度

介绍了采用频率偏移控制样品/探针间距的原子力光子扫描隧道组合显微镜(AF/PSTM)。制备了尖端直径100nm,锥角为60～90°的锐利大锥角探针用于轻敲自激振荡模式的AF/PSTM,该探针固定在压电陶瓷片上置于一个正反馈回路中激励探针振荡。使用锁相器解调自激振荡探针的频率,调整Z方向压电陶瓷的运动使得锁相器检测到的值维持恒定来跟踪样品的起伏。对外加激励模式和自激振荡模式进行了对比。理论分析表明,自激振荡方法减小了探针响应时间;测试试验显示,采用自激振荡模式AF/PSTM的带宽为50Hz,比外加振荡模式快一个数量级。采用改进后的仪器对光栅样品以1Hz的速度进行了扫描,扫描结果显示,采用自激振荡的方式得到的形貌和光学图像比外加激励模式更清晰,不仅响应时间更快,通过提高Q值还可以提高分辨率而不会增加系统进入稳态的时间。     

原子力显微镜及其在生物医学领域应用

本文在简单介绍原子力显微镜(AFM)的基础上。从原子力显微镜对细胞、细胞器及其不同环境条件下细胞变化过程进行时时观察;对生物大分子及其生理生化过程的观察;对生物结构或生物大分子进行力的测量等几个方面的应用作了介绍     

基于原子力显微镜的光盘表面微结构的检测

利用原子力显微镜在纳米尺度上观察了光盘(CD)和数字通用光盘(DVD)的表面微观结构,对沟槽间距、摆动幅度等参数进行了测量,进而就这些参数对存储性能的影响进行了分析。实验结果显示:CD-R和DVD-R光盘上以连续的沟槽取代坑,并组成螺旋状的轨道,DVD-R光盘的信息存储密度更大。光盘轨道间距的变化范围是摆动幅度的4倍。写入后,沟槽的深度明显变深。实验结果同时表明,利用AFM能直接测量光盘上信息位的形貌参数,进而找出影响光盘质量的直接因素。     

高速大扫描范围原子力显微镜系统的设计

针对目前高速扫描型原子力显微镜(AFM)主要是限于物检测且扫描速度和扫描范围均有待提高,提出了一种高速原子力显微镜结构设计方案。在压电陶瓷致动器驱动的柔性铰链结构式位移台的基础上,构建了AFM大范围扫描器,使原子力显微镜在x-y扫描方向的运动范围达到了100μm×100μm。通过傅里叶频谱分析,计算获得了AFM扫描器常用的三角波驱动信号和正弦波驱动信号的高次谐波特性及其对AFM高速扫描成像的影响程度。为了消除在扫描运动过程中的机械自激振荡,提出了将正弦波信号作为高速扫描的驱动信号,行扫速度达到50line/s。在正弦波驱动的基础上提出了一种基于位置采样的图像获取方法,有效地减小了AFM扫描器的非线性误差造成的图像畸变现象。     

基于单片机的AFM纳米机械性能测试系统

摘要：目的：为解决采用AFM系统进行纳米机械性能测试中存在的不能够直接获得载荷——压深曲线以及不能够随意改变加载、保载、卸载时间等问题,对AFM系统进行改造。方法：开发了一套基于单片机的信号输入输出模块。将该模块与AFM控制系统相联,形成新的纳米机械性能测试系统。结果：该系统可以实现动态改变垂直载荷,并依据相应算法,可以实现载荷——压深曲线的实时获得。通过单片机设置模拟信号的输出速率可以实现加载、保载和卸载速率的改变。并结合二维微动精密工作台,可以实现较大范围内点阵的压痕测试。结论：通过在聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷等材料表面进行试验测试表明：该系统可以进行高速高精度的测量样品的纳米机械性能参数,包括对样品进行纳米压痕测试和对样品的纯弹性变形过程进行检测如聚二甲基硅氧烷或者各种微梁等微小构件。     

双探针原子力显微镜视觉对准系统

传统的原子力显微镜（AFM）受针尖形状和放置方式的影响很难测量线条的宽度和两个侧壁的形状,故本文提出采用双探针对顶测量方案来消除AFM针尖形状对测量结果的影响。介绍了一种基于机器视觉的双探针原子力显微镜对准系统,该系统将两个探针接触到一起,实现了双探针在三维方向上的对准。系统采用具有亚微米级分辨率的镜头,配合高分辨率的CCD来获得探针的清晰图像,用于在水平和垂直两个方向实时监控双探针的运动情况。采用基于石英音叉式的自传感自调节的原子力探针,无需外加光学探测系统,缩小了系统体积,避免了杂散光对视觉对准系统的干扰。最后对针尖进行了亚像素边缘提取,精确地获取了探针之间的相对位置,实现了亚微米级的双探针对准（1 μm以内）。该结论由探针之间距离与幅度/相位曲线得到了验证。     

使用AFM测量纳米尺度刻线边缘粗糙度的影响因素的研究

随着半导体制造技术降至100nm以下技术节点,刻线边缘粗糙度的测量与控制已成为纳米测量中的研究热点之一。本文对使用原子力显微镜(AFM)测量半导体刻线边缘粗糙度的影响因素问题进行了研究。根据线边缘粗糙度测量与表征的特点对各种影响因素进行理论和实验分析,包括探针针尖尺寸与形状的非理想性、AFM扫描图像的噪声、扫描采样间隔、压电晶体驱动精度、悬臂梁振动以及线边缘检测算法中的自由参数等。在对这些影响因素进行分析的基础上分别提出抑制及修正方法,从而在一定程度上提高LER测量结果的准确度,为实现半导体制造业不断提高的刻线形貌测量的精度要求提供了可行性参考。     

X轴分离式高速原子力显微镜系统设计

为了提高原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)的成像速度,本文提出了一种新的AFM结构设计方案并搭建了相应的实验系统。在该方案中,Y、Z扫描器集成于测头内驱动探针进行慢轴扫描和形貌反馈;X扫描器与测头分离,驱动样品做快轴扫描。X扫描器采用高刚性的独立一维纳米位移台,能够承载尺寸和质量较大的样品高速往复运动而不易发生共振;同时Z扫描器的载荷实现最小化,固有频率得以显著提高。为了避免测头的扫描运动引起检测光束与探针相对位置的偏差,设计了一种随动式光杠杆光路;为了便于装卸探针以及精确调整激光在探针上的反射位置,设计了基于磁力的探针固定装置和相应的光路调节方案。对所搭建的AFM系统的初步测试结果表明,该系统在采用三角波驱动和简单PID控制算法的情况下,可搭载尺寸达数厘米且质量超过10g的较大样品实现13μm×13μm范围50Hz行频的高速成像。     

基于AFM的煤体微结构研究

比较了扫描电子显微镜和原子力显微镜的原理及特点。得出了AFM的独特优势。用AFM对煤的表面微形貌进行了三维测量，观测到煤中的颗粒和气孔，气孔形状以圆形为主，其次有椭圆形，且边缘光滑，轮廓清晰，据AFM分析，平均气孔孔径为92.25nm，最小孔径10nm，最大孔径800nm。结论表明。用AFM可以观测到煤真实、精确的表面微形貌，为分析瓦斯分子在煤孔隙中的分布提供了一种研究和测量方法。     

扫描速度对扫描声强法测量声功率精度的影响

ISO9614—2或GB／T16404．2-1999标准都对用扫描声强法测量声功率时，声强探头的移动速度做出了规定，但范围较宽，难以选择。为了研究扫描速度对扫描声强法测量声功率精度的影响，以单极子、偶极子、四极子声源为例，建立了扫描声强法测量声功率误差的理论分析的数学模型，对模型的仿真曲线进行了分析，并且在半消声室进行了实验验证。2种方法研究结果表明，在各种扫描速度下均有：锯齿形扫描收敛速度最快，扫描速度大小对扫描声强法测量声功率精度的影响不大。为了提高测量效率，可以选择比标准规定更快的扫描速度。