基于微悬臂梁高次谐波的微小质量检测技术研究

针对微悬臂梁动态检测方式无法应用于液体环境,提出了一种利用微悬臂梁的高次谐振进行微小质量检测的方法.对于相同的被测量质量变化量,微悬臂梁的谐振级次越高,其频率偏移就越大,从而达到较高的灵敏度.以表面修饰了三乙基氢硫基十二基铵层(敏感层)的微悬臂梁为传感元件,以CrO 2- 4为被测物,在原子力显微镜(AFM)上检测了敏感层吸附CrO 2- 4 前后微悬臂梁的5次、6次、7次和8次谐振频率的变化.结果证明,谐振级次越高,灵敏度越高,在8次谐振时的检测灵敏度能够达到2.50 Hz/pg.     

纳米材料的几种扫描探针显微表征方法

扫描探针显微镜（SPM）作为一种广泛应用的表面表征工具,不仅可以表征三维形貌,还能定量地研究表面的粗糙度、孔径大小和分布及颗粒尺寸,在许多学科均可发挥作用.以纳米材料为主要研究对象,综述了国外最新的几种扫描探针显微表征技术,包括扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）和近场扫描光学显微镜（SNOM）等方法,展示了这几种技术在纳米材料的结构和性能方面的应用.     

基于改进型DLIA的AFM探针高速振幅检测

轻敲模式是原子力显微镜(AFM)最为常见的扫描模式之一。轻敲模式以探针振动信号幅值作为反馈信号,实行实时检测。目前,有模拟检测和数字检测两种检测方法,模拟检测方法由于模拟器件固有的温漂导致误差较大,数字检测方法误差小但运算量较大。提出了一种实时检测轻敲模式信号振幅的改进型数字锁相放大器(MDLIA),在自制的AFM扫描成像系统中同时具备误差较小和运算量较小两个优点。MDLIA使用与振动信号同频同相的方波信号作为参考信号,因此仅采用单通道运算即可检测振动信号幅值。首先通过理论分析介绍了MDLIA的原理,然后介绍各组成部分及实现过程,最后通过运算耗时实验验证MDLIA运算量小且运算速度快的特点,并通过误差对比实验证明MDLIA误差较小,同时通过标准栅格扫描实验验证MDLIA的稳定性。     

液相型AFM的研制与金属腐蚀原位研究

介绍了新型液相型原子力显微镜（AFM）的工作原理、系统结构和独特性能，讨论了该AFM在金属腐蚀研究中的应用。利用液相型AFM对碳钢在NaCl溶液及Pb在草酸溶液中的腐蚀过程进行了原位观察，获得了理想的扫描图像。实验结果表明，金属腐蚀最初起始于原子或纳米尺度，之后逐渐扩大到宏观尺度；金属表面的凹坑或缺陷可加速其腐蚀；而表面突起的结构则被一层层腐蚀。     

海藻酸钠自组装体系的AFM研究

运用原子力显微镜(AFM)对不同浓度海藻酸钠在云母表面上形成的自组装膜进行了研究,实验结果显示在0．001mg／ml时,海藻酸钠出现单分子聚集体形态;0.01mg／ml和0.05mg／ml时,呈现致密、紧凑的网格状结构。随着浓度的改变,海藻酸钠自组装表面超微结构也发生变化。初步分析了影响其表面超微结构变化的一些因素并运用耗散理论探讨了这种变化过程可能的机理。     

面向可控自组装的DNA纳米管可编程AFM操作北大核心

"核心"DNA纳米结构的精确定位是实现指定位置的DNA纳米结构可控自组装构建纳米器件或系统的关键难题之一。研究了一种可编程控制的原子力显微镜(AFM)操作方法,通过运用操作过程中参数调控,实现液体环境中柔性DNA纳米结构的可控定位及定向操作。对操作振幅和溶液中Mg2+浓度两个关键参数进行了实验优化。实验采用的是长400 nm和直径约6 nm的DNA纳米管状结构。实验结果表明,在操作振幅为3.5 nm和Mg2+浓度为10 mmol/L的优化控制条件下,应用可编程控制的AFM调控操作方法,实现了液体环境中DNA纳米结构的定位定向操作,且成功率达到80%。     

液体中基于动态微悬臂梁的质量检测技术

当利用微悬臂梁动态模式的基频谐振在液体环境检测微弱被测量时,液体中的流体动力阻尼导致检测灵敏度降低。针对此问题,提出了利用微悬臂梁的高次谐振进行质量检测的方法。对于相同的被测量质量变化,微悬臂梁的谐振次数越高,其频率偏移越大,从而达到比基频检测法更高的分辨力。以表面修饰三乙基氢硫基十二基铵层(敏感层)的微悬臂梁为传感元件,以CrO42-为被测物,在原子力显微镜上检测了敏感层吸附CrO42-前后,微悬臂梁的5~8次谐波频率的变化情况。结果显示,该质量检测法能检测出约0.82 ng的质量增量。     

基于原子力显微镜的悬臂梁微尖端器件应用新进展

在分析原子力显微镜工作原理的基础上,详细介绍了各种基于原子力显微镜的悬臂梁微尖端器件的应用进展,并展望了悬臂梁微尖端器件的发展前景。     

基于分块压电悬臂梁的压电地板单元研制

为了提高压电地板的发电功率,将压电圆盘或正方形压电结构分块成悬臂梁。有限元静态分析表明,当承重和材料体积相近时,三角形分块的输出功率分别是方形分块和压电圆盘的20倍、7倍;对比分析了顶角为60°、90°、120°的三角形悬臂梁压电地板单元的发电性能,发现减薄压电片和基板厚度使踩踏位移相同时,3种压电地板单元的输出功率相同;若压电片和基板厚度相同,顶角为60°的三角形分块压电地板单元输出功率最大。用6个60°三角形压电悬臂梁制作压电地板单元,以手按压,可轮流点亮两个发光二极管。     

AFM扫描参数对表面粗糙度测量的影响分析

原子力显微镜(AFM)是纳米科技研究中一个重要工具.影响AFM测量图像质量的因素很多,本文从AFM扫描参数选择的角度,研究扫描参数对样品表面均方根粗糙度的影响.实验和理论分析表明,扫描速度、反馈控制参数中的比例常数P和积分常数I的选择均对样品的表面粗糙度测量及评定产生影响.     

基于轻敲模式AFM的纳米振动表征方法

针对纳米振动测量方法中存在的间接性、低分辨率、低带宽等局限性,建立了原子力显微镜(AFM)的轻敲模式下探针与振动样品间相互作用的振动系统模型,采用Runge-Kutta数值积分方法分析了AFM测振技术的可行性和工作带宽.使用静电激励的双端固支纳米梁作为测试结构,采用AFM轻敲模式测试了样品的幅频响应特性.同时采用显微激光多普勒测振系统进行了比对测试,测量结果与AFM轻敲力曲线模式的测量结果相符,也表现出AFM轻敲模式的测量误差具有与测试样品相关的频率特性.     

AFM观察稳恒磁场对细胞表面精细结构的影响

利用原子力显微镜(AFM)观察稳恒磁场(SMF)处理后,悬浮生长细胞(K562人白血病细胞)、贴壁生长细胞(人结肠癌SW480细胞)、小鼠肝癌细胞Hepal-6和原代小鼠肝细胞表面精细结构的变化,以了解SMF杀伤肿瘤细胞的可能机制.观察结果显示:随曝磁时间延长,SMF可在肿瘤细胞表面造成不同程度损伤,主要表现为细胞膜上出现许多大小不一的凹陷,且凹陷数量和直径随着曝磁时间延长而增加.与MTT检测相比,AFM观察到的各类细胞表面损伤远早于细胞的生长抑制.实验观察显示,悬浮生长细胞比贴壁生长细胞对磁场处理更为敏感,小鼠肝癌细胞比肝细胞对磁处理更敏感.实验结果显示,AFM能够及早观察到细胞表面因SMF作用而产生的精细结构方面的变化.     

六方氮化硼薄膜制备及其压电响应的研究

采用射频(RF)磁控溅射的方法,通过改变工艺参数在n型Si(100)片上制备六方氮化硼(h-BN)薄膜。通过傅立叶红外(FTIR)光谱仪,X射线衍射(XRD)仪进行结构表征,原子力显微镜(AFM)进行表面形貌和压电性能表征。测试结果表明,在射频功率为300 W、衬底温度为500℃、工作压强在0.8Pa、N2与Ar流量比为4∶20和衬底偏压在-200V时制备的六方BN薄膜具有高纯度、高c-轴择优取向,颗粒均匀致密,粗糙度为2.26nm,具有压电性并且压电响应均匀,符合高频声表面波器件基片高声速、优压电性要求。薄膜压电性测试研究表明,AFM的PFM测试方法适用于纳米结构半导体薄膜的压电性及其压电响应分布特性的表征。     

基于激光悬臂梁的纳米薄膜生长厚度原位检测方法

针对现有材料表面镀膜装置缺乏表面质量监控和反馈系统,研制出一套基于激光微悬臂梁的纳米薄膜生长厚度检测系统。该平台由微悬臂梁、激光发射单元、压电陶瓷单元、光电探测器单元、伺服电机和人机界面组成。将检测结果反馈给镀膜系统,及时调整镀膜工艺参数,实现快速表征、精准镀膜。实验表明:该纳米薄膜生长厚度检测平台能够在镀膜过程中实时监控薄膜厚度,精度可达±3 nm。     

应用Fe3+在裸云母表面制作DNA分子的AFM样品的方法

原子力显微镜(AFM)既是观测生物大分子的有力工具,也是生物单分子操纵的有力工具.脱氧核糖核酸分子(DNA)是记栽了生物信息的重要生命分子,同时也是在分子器件领域具有极大潜力的天然纳米材料.利用AFM对DNA分子观察和操纵时,制样是关键.云母具有原子级平整的表面可作为观测DNA分子时的基底,但由于其表面负电性而不能和DNA分子很好地结合,所以通常需要对云母进行表面修饰.本文给出一种通过加入适量三价铁离子溶液在裸云母表面制作DNA样品的方法,可取代传统的云母表面修饰.该制样方法既可应用到基于AFM技术的DNA分子的形貌观察,也可应用在基于AFM技术的对DNA的单分子操纵.     

AFM压电微悬臂振动影响测量图像的研究

在轻敲工作模式下,原子力显微镜(AFM)压电微悬臂以较大的振幅振动。以纳米管针尖为例建立了压电微悬臂振动的数学模型并描述了纳米管尖端的振动轨迹,从纳米管尖端的振动轨迹和仿真图形的关系,指出压电微悬臂振动影响测量精度的有关参数及减小由振动产生膨胀变形的方法。根据数学图形学膨胀理论仿真出纳米管尖端振动轨迹对标准线宽模型的影响,AFM测量线宽的试验验证了上述结果。     

基于压电悬臂梁低频振动的微颗粒聚集

微颗粒操控技术以其控制精确,成本低及简洁高效的特点,在生物医学工程和微纳米器件制造领域有广阔的应用前景。传统操控方法对无磁性、无导电性及大密度固体微颗粒的操控存在不足。因此,该文提出一种基于压电悬臂梁低频振动的微颗粒操控系统,利用流场底部流动实现微颗粒的聚集。聚集显微实验表明,压电振子的低频振动激发流场底部流动,使培养皿底部的球型氧化铝颗粒向目标区域移动和聚集,并在122 s时达到稳定状态。对试验结果进行图像处理,结果表明,微颗粒稳定聚集后的聚集面积为79 405 μm2。该操控方法可实现大密度微颗粒的聚集,且聚集范围大,可为微纳器件制造提供参考。     

基于CdZnTe晶体的2×2像素阵列探测器研究

根据CdZnTe(CZT)晶体的辐射探测理论,搭建了CZT像素阵列探测系统。采用241Am源研究了2×2像素阵列特性,得到了59.5keV能量γ射线能谱,最高能量分辨率为14.6%,并且各个像素性能差异明显,特别是边缘像素出现低能道区域计数增多,谱线向低能方向轻微漂移。为优化辐射成像,对实验数据作了进一步研究。结果表明,晶体内部不均匀的电场是造成各个像素性能偏差,和边缘像素谱漂移的主要原因。在成像过程中可以通过针对性的补偿加以修正,从而提高探测器有效成像面积,优化成像质量。     

硅基底表面上多种形态碳纳米管的生长

以Fe/Ru双金属纳米颗粒为催化剂,在含有一层自然氧化层的硅基底上制备单分散碳纳米管,并用原子力显微镜进行表征。实验结果表明在同一基底上碳纳米管具有多种形态,如环形、树枝状分叉形、锥形,单根和成束等。这种多种形态碳纳米管的出现,为更进一步了解碳纳米管的生长机制以及对控制碳纳米管制备有着重要意义。     

海藻酸薄膜表面超微结构的原子力显微镜研究

本文采用原子力显微镜（ＡＦＭ）对海藻酸生物薄膜表面的超微结构进行了实验研究,选择出最佳观察方法。结果发现薄膜上分布不规则的微孔,其长短孔径之比大约为３：２,微孔的中心距为孔径的２倍。