基于探针定位的原子力显微镜纳米操作虚拟夹具实现

尽管基于原子力显微镜(Atom force microscopy,AFM)的纳米操作在过去10年间取得了极大进展,但依然有两个问题没有得到很好解决:探针的精确定位和稳定性操作。由于压电陶瓷驱动器非线性和温漂的影响,使得探针相对于被操作物体的定位极其困难,从而造成纳米操作任务失败;同时,因为探针仅能对被操作物体施加点式作用力,在操作中经常出现探针滑过被操作物体,或者引起被操作物体的转动、形变等非理想结果,阻碍纳米操作的深入发展。针对上述问题,提出基于概率的虚拟夹具纳米操作方法,其核心思想是在基于路标观测的探针定位基础上,实现基于概率的探针多点并发操作策略—虚拟夹具方法。仿真与试验结果验证该方法可以稳定、长距离的推动纳米颗粒,能够对一维纳米材料(管、线、棒)进行定姿态操作,从而使AFM纳米操作效率得到极大提升。     

原子力显微镜在纳米粗糙度测量中的应用

介绍了用于纳米量级表面粗糙度测量的原子力显微系统。着重讨论了实现这种测量的软件实现方法。实验结果表明 ,该系统可以测量任意横向或纵向截面的线粗糙度 ,同时还可以测量任一区域的面粗糙度 ,并且在 X、Y、Z三个方向上的表面粗糙度测量精度均已达到纳米量级 ,完全满足纳米尺度形貌研究要求     

基于原子力显微镜的纳米加工研究

以原子力显微镜(AFM)作为加工工具对单晶硅进行了基于金刚石针尖的纳米加工试验,运用不同的方法对纳米加工区域的特性、材料在不同垂直载荷下的去除机理及切屑形成特征进行了系统的研究和分析,提出了一种在纳米尺度下研究加工机理的新方法。在此基础上,应用有限元法对AFM纳米加工中存在于金刚石针尖和被加工材料之间的接触作用机制进行了计算仿真。     

原子力显微镜力传感器的设计

着重介绍原子力显微镜力传感器的要求和力传感器设计的有关问题，并提供一种用图表设计结构尺寸的方法。     

原子力显微镜在纳米摩擦学研究中的应用

本文在概述纳米摩擦学概念,原子力显微镜原理及发展的基础上,介绍了原子力显微镜在纳米摩擦学研究包括纳米摩擦、纳米磨损及边界润滑研究等方面的应用。     

碳纳米管原子力显微镜针尖的制作研究

研究在光学显微镜下，运用两个独立的三维工作台分别控制针尖和碳纳米管的位置，将碳纳米管吸附在传统的原子力显微镜针尖上。首先将碳纳米管粘附在导电的胶带上，然后用涂胶的针尖与其接触将碳纳米管粘附到针尖上，最后运用电蚀的方法优化碳纳米管针尖的长度，以达到高分辨率的要求。运用制作的碳纳米管针尖对硅表面的深槽进行成像，获得了传统针尖无法得到的信息。     

扫描隧道显微镜和原子力显微镜

介绍了扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)的原理和目前情况。     

基于原子力显微镜和分子动力学的纳米压痕技术研究

利用原子力显微镜对真空蒸发镀膜技术制得的单晶铜薄膜试件进行了纳米压痕试验。通过进行各种压痕深度下的试验,获得了压痕深度对试件力学性能的影响关系。试验得到的试件弹性模量为67.0 GPa±6.9 GPa。试件的硬度值随着压痕深度的减小而不断增大,表现出强烈的尺寸效应。在原子力显微镜试验的同时,使用分子动力学仿真方法对单晶铜薄膜的纳米压痕过程进行了研究。仿真结果表明单晶铜薄膜的纳米压痕的力学机理不是位错在晶体中运动产生的塑性变形,而是非晶态产生的变形,从而解释了尺寸效应产生的原因。     

原子力显微镜在液相环境中的应用研究

简要介绍了原子力显微镜的工作原理 ,着重分析了液相探头的设计 ,并利用该探头进行了液相环境的样品表面形貌测量 ,给出了测量的图像。实验表明 ,该液相探头具有良好的液态环境扫描性能 ,图像稳定 ,分辨力高。     

原子力显微镜传感器的微机械加工技术的研究

分析了现有的AFM力传感器的工艺特点及问题。在此基础上研究用KOH溶液两步法P+自停止腐蚀制作厚度精确可控的单晶硅悬臂梁;以SiO2为掩模,SF6刻蚀硅,用RIE与各向同性湿法化学腐蚀相结合使悬臂梁探针一次成形和用湿法腐蚀锐化探针,针尖半径约50nm.制定了适于批量生产的AFM力传感器加工工艺。     

AFM针尖对胶原样品表面一种损伤现象的研究

用AFM对吸附于云母表面的胶原蛋白的研究过程中，观察到一种AFM针尖对样品损伤现象。在小范围的扫描过程中．胶原蛋白在AFM针尖的作用下。产生了明显的移动。改变了其原来平整、均匀分布的表面特征。此现象文献中也曾有报道，在本实验中能重复出现。本文进一步分析讨论这种现象产生的原因，对比了不同成像模式下AFM针尖对样品表面的影响。结果表明，用Tapping Mode(TM)，扫描过程对样品表面几乎不产生影响，但是Non Contact Mode(NCM)在扫描过程中对样品表面产生了损伤作用。证明了TM模式更适合于对生物样品的研究。实验还发现这种损伤的程度和扫描范围的大小、针尖扫描的方向有着很大关系。     

光学原子力显微镜中的蒙特卡罗方法

扫描探针显微镜(Scanning probe microscopy,SPM)是显微镜的一个分支,它利用物理探针扫描标本形成样本表面图像.而原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)是SPM中一种多功能的表面成像和测量工具,对导电、不导电、真空中、空气中或流体中的各种样本均可测量.原子力显微镜最面临的最大挑战之一是评估其在表面测量过程中所伴随的不确定度.本研究通过XYZ Phase的标定,对一台光学原子力显微镜进行了校准.该方法旨在克服在评估一些无法实验确定的不确定部件时遇到的困难,如尖端表面相互作用力和尖端几何.运用蒙特卡罗方法来确定根据相关容差和概率密度函数(PDFs)随机绘制参数而引起的相关不确定度.整个过程遵循《测量不确定度表示指南》(GUM)补编2.经本方法验证,原子力显微镜的评估不确定度为10nm左右.     

大范围扫描原子力显微镜自动调平控制技术

为了进一步扩大原子力显微镜(AFM)的应用范围,研制出一套大范围高速AFM系统.该系统采用上、下两个扫描器,上扫描器负责Z方向闭环控制的动态响应,下扫描器负责X、Y方向平面扫描及Z方向补偿控制.针对样品放置倾斜对大范围扫描成像的影响,提出基于多线扫描的样品自动调平控制技术.首先通过多线扫描确定样品倾斜位置,然后将所有扫描点的倾斜位移差用函数式表达,最后将位移差换算为控制电压作为扫描器Z向的前馈控制输入.实验结果表明,能消除样品倾斜对AFM大范围扫描的影响.     

T细胞与K562细胞共培养的AFM观察

人类机体的免疫系统很难彻底清除肿瘤细胞,了解T淋巴细胞杀伤肿瘤细胞的整个过程的机理,将为提高免疫系统杀灭肿瘤的效率提供知识基础。本文采用原子力显微镜与倒置显微镜在细胞层面上观察T淋巴细胞进攻杀伤人慢性粒细胞性白血病细胞株——K562细胞的过程,并对T细胞与K562细胞共培养前后的表面形貌和生物机械性质进行表征。结果显示,与培养前相比,共培养后2种细胞数目之和减少,2种细胞的表面形貌和机械力学性质均出现很大差异,表现为:K562细胞,平均粗糙度(Ra)降低,细胞平均高度(Mh)降低,细胞表面出现5～8 cm的孔洞,有的细胞甚至完全破裂溶解。多个T细胞的统计分析结果显示,共培养前,T细胞为静息状态,而共培养后Ra和Mh都显著增加。该方法为研究免疫系统与肿瘤相互作用的机制提供重要的切入点。     

表面活性剂及复配在云母片上吸附的AFM研究

借助原子力显微镜对十二烷基硫酸钠(SDS)/十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)及其复配溶液在云母表面的吸附以及吸附后不同的表面形貌和微摩擦特性进行了研究,探讨了摩擦力与表面形貌的关系。结果表明,SDS与CTAB表面活性剂分子都以纳米级颗粒吸附于云母表面;摩擦力受表面形貌的影响,但不成一一对应关系;在0.8和2倍临界胶束浓度(CMC)下,SDS/CTAB=1∶1复配溶液在云母表面吸附后的润滑效应较其它配比好。     

基于小波变换的AFM图像处理的研究

根据原子力显微镜(AFM)图像的特点，对小波变换应用于原子力显微镜图像的降噪、增强及融合方法进行了阐述，采用原子力显微镜对无磨料低温抛光后的铝合金(LY12)表面进行检测，并利用所述方法对扫描图像进行了处理。结果表明，利用小波变换对原子力显微镜图像进行处理是有效的、可行的，图像质量得到明显提高。     

Tribological Properties of Self-Assembled Monolayers and Their Substrates Under Various Humid Environments

Using friction force microscopy (FFM) under controlled environments, we have systematically investigated the humidity effect on the frictional properties of two important classes of self-assembled monolayers (SAMs), i.e., N-octadecyltrimethoxysilane (OTE, CH₃(CH₂)₁₇Si(OCH₃)₃) on SiO₂(OTE/SiO₂), and N-alkanethiols on Au(111), together with their respective substrates. Experimental results show that both OTE and alkylthiol SAMs can decrease the friction force between a Si₃N₄ atomic force microscope (AFM) tip and substrates. The nearly humidity-independent friction of the two kinds of SAMs indicates that these SAMs are ideal lubricants in applications of micro-electro-mechanical systems (MEMS) under different environments. The humidity dependence—as the humidity increases, the friction first increases and then decreases—of the two substrates, SiO₂ and Au(111), can be explained by the adsorption of water. The decrease in the friction at high humidity is attributed to the low viscosity in the multilayers of water, while the increase in the friction at low humidity can be explained by the high viscosity between the water monolayer and the surfaces (AFM tip and sample), possibly due to the confinement effects. The effect of modification of the AFM tip with alkanethiol molecules on the humidity dependence of Au(111) friction has also been investigated.     

Atomic force microscopy of histological sections using a new electron beam etching method

In order to examine histological sections of the rat vomeronasal epithelium with the atomic force microscope (AFM), we developed an electron beam etching method that improves the resolution of AFM images. This method results in AFM images comparable to those obtained with the transmission electron microscope (TEM). Ultrathin tissue sections embedded in epoxy resin were observed before and after the treatment with electron beam radiation. Before electron beam treatment, epithelial structures such as the microvilli surface, dendritic processes, the supporting cell layers and the neuronal cell layers were all visible using the AFM. However, only a few subcellular structures could also be resolved. The AFM images were not as clear as those obtained with the TEM. After electron beam treatment, however, the resolution of AFM images was greatly improved. Most of the subcellular structures observed in TEM images, including the inner membrane of mitochondria, ciliary-structure precursor body, junctional complexes between the neurons and supporting cells, and individual microvilli were now visible in the AFM images. The electron beam treatment appeared to melt the embedding resin, bringing subcellular structures into high relief. The result of this study suggests that electron beam etching of histological samples may provide a new method for the study of subcellular structure using the AFM.