压膜阻尼对原子力显微镜振动特性的影响研究

原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)在轻敲模式下工作时,随着探针针尖与样品距离的逐渐减小,空气压膜阻尼的作用随之增大。为研究压膜阻尼对原子力显微镜振动系统的影响,分别使用无针尖探针和微球针尖探针进行扫频实验,并基于振动理论将该过程简化,得到了两种不同的振动模型的系统刚度。在考虑压膜阻尼作用影响后,将微球针尖振动系统模型进一步简化为一维振子模型,并对压膜阻尼的影响进行讨论。实验表明空气压膜阻尼模型对于探针样品在微尺度下的作用过程是准确合理的。该结果对原子力显微镜轻敲模式研究具有重要意义。     

原子力声显微镜成像及分析

超声检测技术与原子力显微技术相结合,构成原子力声显微镜(AFAM),能够实现样品内部纳米结构的测量,并分析如局域弹性模量、刚度等力学性能.本文在传统的原子力显微镜(AFM)的基础上初步构建了AFAM,利用AFM轻敲模式下的微悬臂梁振动激励信号来驱动样品背面的压电超声换能器,并利用轻敲模式控制系统中的锁相环检测经过样品后由探针收集的振动信号,形成振幅及相位图像.这种AFAM方法不需外接信号发生器、锁相放大器及相关控制电路,从而避免AFM内、外部的仪器及控制电路的不同步而引起的AFAM振幅/相位与形貌图像间的偏移.此外,还分析了形貌结构对AFAM振幅图像的影响,为进一步研究AFAM亚表面成像奠定了基础.     

恒撞击力轻敲模式AFM的设计及研究

在轻敲模式AFM中,利用DMT模型与光探针点衍射理论结合来检测微探针的振动,并对振动信号进行频率域分析,通过检测和控制信号中高次谐波分量使针尖-样品间撞击力保持恒定。测试实验表明,该系统具有结构简单、可测不同材料的样品和对软质材料样品损伤小的优点,其测量重复性可达1%,分辩力可达1~5nm。     

随机噪声激励下轻敲式原子力显微镜动力学特性研究

针对有界随机噪声激励下轻敲式原子力显微镜 (AFM：Atomic force microscope)系统的非线性动力学问题,建立Lennard-Jones力场作用下针尖-样品的集总参数模型,应用现代微分方程和分岔理论,分析了随机扰动强度和弯月面接触角对AFM针尖-样品耦合系统动力学特性的影响。结果表明,轻敲式AFM耦合动力学系统中存在丰富的周期运动和混沌运动,表现出复杂的非线性行为,混沌特性随着随机扰动强度增大而增强,弯月面接触角越大混沌特性越明显,因此在轻敲式AFM优化设计中,随机噪声对AFM系统的影响不可忽视。     

基于新型探针的双频原子力显微系统开发

传统原子力显微镜(AFM)在接触模式下工作时具有接触力较大、易损伤样品的缺点.本文通过对新型自感应音叉探针施加双频激励,使得AFM工作在轻敲模式下,减小了接触力和扫描过程中的侧向力影响,实现了样品表面力学特性和亚表面结构的表征.然后利用基于DSP的PI反馈控制模块,完成了线扫描实验,证明该双频原子力显微测量系统具有较好的测量能力.     

AFM光杠杆系统在刻划深度控制中的应用分析

应用AFM组建三维刻划加工系统，光杠杆系统是实现刻划深度控制的重要环节．通过分析微悬臂挠度、转角对光杠杆系统的影响，及不同刻划方向针尖扭转角对刻划深度的影响，得出以下结论：由非刚性微悬臂组成的光杠杆系统，与理想光杠杆系统存在3：2的线性检测变换关系，可采用单点标定方法对光杠杆系统进行标定；沿相对于微悬臂长轴进行横向刻划时针尖扭转角所产生的刻划深度误差，远小于沿纵向刻划所产生的刻划深度误差．     

用于减小控制对测量影响的AFM新工作模式

原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）是纳米尺度线宽成像和测量的重要工具．但系统的非线性和控制器参数选择的多样性导致AFM控制的不确定性，影响了AFM测量结果的精确性和重复性．为克服这个缺点，分析了AFM的测量原理和工作模式的特点，在此基础上提出了一种新的工作模式——补偿模式．在这种工作模式中，结合了扫描器和悬臂梁的位置信息而得到被测试样表面的形貌图像．与恒力接触模式相比，在补偿模式下，AFM能够在高速度下以更好的精确性和重复性进行成像和测量．仿真和实验结果证明了这种新工作模式的可行性和适用性．实验结果说明该工作模式可以提高扫描速度16倍或减小均方根误差到约1／5．     

悬臂Kagome夹心板独立模态空间振动控制研究

针对悬臂板挠度大、低频振动突出问题,对悬臂Kagome夹心板的振动主动控制进行研究。建立结构及压电作动器有限元模型;将独立模态空间控制与模态观测器相结合,提出悬臂Kagome夹心板的主动控制策略;针对突风载荷作用下夹心板基于独立模态空间的振动控制进行仿真,重点研究观测器极点对控制效果影响。结果表明,所提控制方法能显著提高悬臂Kagome夹心板结构的阻尼特性,观测器衰减系数越大控制效果越好;该夹心板在振动控制方面较传统板结构优势明显。     

基于高阶谐振悬臂的轻敲式原子力显微镜测量特性

轻敲式原子力显微镜的悬臂为无限自由度系统,具有多阶谐振模态.为了提高动态原子力显微镜的测量特性,采用激励硅悬臂工作于高阶谐振模态的方法.相较于基础模态,高阶谐振悬臂的振动频率和品质因数有所提高,结合振型的不同以及光杠杆检测法的特性,从理论上对高阶谐振模态下动态原子力显微镜的测量特性进行了分析.构建了基于高阶谐振的动态原子力显微镜系统,围绕其主要测量特性,如表面探测垂直分辨力、时间扫描速度以及阻尼特性进行了研究和测试,理论分析和实验结果均表明,相较于一阶谐振模态,二阶谐振模态下的动态原子力显微镜系统的测量特性得到了提高:二阶谐振悬臂扫描速度约为一阶谐振悬臂的3.3倍;二阶谐振悬臂的探测垂直分辨力可达到0.5 nm,远远优于一阶悬臂的0.9 nm;并且二阶谐振悬臂的品质因数远高于一阶谐振状态,降低了大气阻尼对悬臂系统的影响.     

纵轴式掘进机截割机构纵向随机振动的仿真研究

为了了解纵轴式掘进机的纵向振动特性,提高机器工作的可靠性,分析并确定截割头随机载荷的数学模型,利用拉格朗日方法建立了该型掘进机的纵向动力学模型,通过拉氏变换法对动力学方程解耦,得到了其3阶固有频率和振型.为进一步探究截割头与悬臂、悬臂与机体的刚度对截割头和悬臂振动的影响,利用虚拟激励法求得截割头、悬臂的纵向位移响应,并在ADAMS中对整机多刚体动力学模型仿真,验证了该方法的可靠性.研究结果表明：系统的纵向振动固有频率在6 Hz内,通过增加悬臂与机体的刚度能明显减小外随机激励作用下截割头和悬臂的振动.所得结论为改进掘进机设计和参数优化提供理论依据.     

Chaos in dynamic atomic force microscopy

In tapping mode atomic force microscopy (AFM) the highly nonlinear tip-sample interaction gives rise to a complicated dynamics of the microcantilever. Apart from the well-known bistability under typical imaging conditions the system exhibits a complex dynamics at small average tip-sample distances, which are typical operation conditions for mechanical dynamic nanomanipulation. In order to investigate the dynamics at small average tip sample gaps experimental time series data are analysed employing nonlinear analysis tools and spectral analysis. The correlation dimension is computed together with a bifurcation diagram. By using statistical correlation measures such as the Kullback-Leibler distance, cross-correlation and mutual information the dataset can be segmented into different regimes. The analysis reveals period-3, period-2 and period-4 behaviour, as well as a weakly chaotic regime.     

Calibration of silicon atomic force microscope cantilevers

We present a comparison of three different methods to calibrate the spring constant of two different types of silicon beam shaped atomic force microscope (AFM) cantilevers to determine each method's accuracy, ease of use and potential destructiveness. The majority of research in calibrating AFM cantilevers has been concerned with contact mode levers. The two types of levers we have studied are used in force modulation and tapping mode in air. Not only can these types of cantilevers have spring constants an order of magnitude greater than contact mode levers, but also their geometries can be quite different from the standard V-shape contact lever. In this work we experimentally determine the correction factors for two of the calibration methods when applied to the tapping mode cantilevers and also demonstrate that the force modulation levers can be calibrated easily and accurately using these same techniques.     

Energy dissipation in microfluidic beam resonators: Dependence on mode number

Energy dissipation experienced by vibrating microcantilever beams immersed in fluid is strongly dependent on the mode of vibration, with quality factors typically increasing with mode number. Recently, we examined energy dissipation in a new class of cantilever device that embeds a microfluidic channel in its interior-the fundamental mode of vibration only was considered. Due to its importance in practice, we examine the effect of mode number on energy dissipation in these microfluidic beam resonators. Interestingly, and in contrast to other cantilever devices, we find that the quality factor typically decreases with increasing mode number. We explore the underlying physical mechanisms leading to this counterintuitive behavior, and provide a detailed comparison to experimental measurements for which good agreement is found.     

水化膜对原子力显微镜扫描图像的影响

原子力显微镜(AFM)有接触和轻敲两种工作方式,可以在气相和液相下工作.在液相工作状态下,浸没于水中的探针和样品表面会形成一层水化膜.在探针和样品表面形成的水化膜是否会对扫描图像产生影响以及产生何种影响是一个值得研究的问题.本文用原子力显微镜对1μm标准校正光栅在空气和水两种媒质中进行了图像扫描,扫描分别采用接触和轻敲两种工作方式.扫描图像显示,在液相工作环境中,水化膜在探针和样品表面的形成将严重影响轻敲工作方式所形成的图像,而接触方式的扫描图像基本不受影响.     

角度测量型原子间力显微镜

本作采用光学式角度传感器,制作了探针驱动式角度测量型原子间力显微镜（ＡＦＭ）,它区别于历来的原子力显微镜信号的位移测量方法,克服了以往测量方法对被测的尺寸、重量衣扫描速度的限制。     

液中测量型原子力显微镜的研究

简述了使用临界角角度传感器的探针驱动角度检出型ＡＦＭ的测量原理及在液体中进行测量的原理，并对在空气中和液体中的测量结果进行了分析比较。