扫描电化学显微成像系统关键技术研究

发布时间：2020-06-26 15:08

【摘要】：SECM(Scanning Electrochemical Microscope)是在一个高的时间、空间分辨率下,通过电化学控制测量技术,研究界面微区空间的化学组成、结构、性质和行为的电化学现场检测仪器。其以电化学原理作为基础,通过极小的探针来接近样品的表层,在包含相关电活性物质的溶液内展开扫描,即可测定其中氧化或还原反应而产生的电化学电流,进一步得到被测样品的电化学相关信息,样品可以是导体、绝缘体或半导体。SECM具有相对较高的电化学灵敏性,一方面能够用于分析探针电极以及基底上的均相反应动力学等问题,识别电极表面所存在的不均匀性,或探测导体以及绝缘体的外在形貌,同时也能够针对材料开展微加工操作,从而探索更多关键的生物过程。为了从电化学研究需求的角度对SECM仪器方法进行改进和提高,以适应不断发展的电化学和电分析化学等方面的使用需求,论文围绕液/液、液/固界面电化学分析领域中存在的技术问题,在深入了解SECM工作原理的基础上,结合目前国际上SECM仪器系统的技术特点,对仪器系统的几个关键技术进行了深入研究,包括双恒电位仪控制技术、空间位移控制技术、仪器系统的结构设计及仿真分析、上位机控制软件设计和SECM图像处理技术。文中首先分析了SECM仪器系统成像的工作原理及仪器系统的组成结构,在此基础上提出了一种SECM仪器系统的总体设计方案,在深入了解双恒电位仪控制系统工作原理的基础上,研究了控制系统的双恒电位仪电路、波形发生器电路、信号滤波电路、数据采集电路和微处理器电路,并对控制系统的数字电路和模拟电路分别进行了PCB设计,以此为基础完成了双恒电位仪控制系统的设计。为了满足SECM仪器系统对探针电极的位移控制要求,根据三维机械式位移平台和三维压电式位移平台的技术参数,研究了三维步进电机控制系统和三维压电晶体控制系统中的关键控制技术,在三维压电晶体控制技术的研究中分析了电阻应变片测量压电晶体输出位移的原理,根据压电晶体的负载特性和应变片输出信号特性设计了误差放大式高压驱动电路和应变片信号检测电路,重点研究了用于压电位移平台精密定位控制的PID控制算法并对其进行了相应的改进,使压电位移平台达到了纳米级的定位精度。仪器系统的机械结构设计对整个仪器的稳定性来说至关重要,文中对SECM仪器系统的机械结构进行了设计和仿真分析,仪器机械结构主要包括三维机械式位移平台、三维压电式位移平台、探针电极夹持机构、电解池、显微镜、基底水平调节机构、电磁屏蔽装置和底部减震系统。利用UGNX8.0软件对SECM的机械结构进行了有限元分析,分析结果表明所设计的机械结构具有较高的刚度和较好的抗震性能。采用分层次的模块化结构设计了仪器系统的上位机控制软件,软件结构包括GUI界面、业务逻辑层和数据传输层,每个部分又划分为多个模块,每个模块承担独立的功能。利用上位机控制软件对SECM仪器系统进行了实验验证,验证实验包括超微电极循环伏安曲线测试、探针渐进曲线测试、探针扫描曲线测试和SECM成像测试,在SECM成像测试中对金叉指电极、金点阵电极、印有指纹的ITO三种基底进行了成像检测,结果表明仪器系统具有较好的成像性能,能够实现大空间范围、高空间精度的SECM成像检测。为了解决SECM图像模糊的问题,深入研究了SECM图像处理技术,采用基于改进的约束最小二乘滤波算法的图像处理技术和LOG算法与NEDI插值算法结合在一起的图像处理技术对获得的SECM图像进行了处理。改进的约束最小二乘滤波算法提高了图像中边缘区域的对比度,使边缘区域更加清晰,并且更好地平滑了图像中的噪声,使得复原后的图像清晰度有了明显的改善。LOG算法与NEDI插值算法结合在一起的图像处理技术可以明显提高SECM图像的清晰度和分辨率,相对于改进的约束最小二乘滤波算法,这种图像处理技术对图像中的边缘区域处理效果更好,经过处理后的图像边缘区域更加清晰,而且对于形状规则与不规则的被测基底同样适用,不依赖于基底的形状,具有较好的通用性。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74
【图文】：

伴随科技的不断突破，人们在微观世界的研究中取得了更积极的成果，微米、纳米这些比较陌生的概念正在被公众了解。而在该领域的研究工作中，性能优异的探针显微成像系统（Scanning Probe Microscope，SPM）成为了获取纳米级精度成像的前提保证。SPM 是近年发展起来的表面分析仪器，其主要运行原理是借助探针跟基底物质的互相影响，同时结合探针的不断运动而成像。早在1982年，IBM工作室成员葛·宾尼（Gerd Bining）与海·雷尔（Herinrich Rohrer）在隧道效应的相关研究中得到重要启示，制造了全球首台扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM），其运行原理如图 1.1（a）所示。STM 的出现使人类第一次能够清晰看到单个原子在物质表面的排列状态，利用STM能够十分便利地获得特定物质表层原子分布的状况，是目前分辨率最高的成像方法，不过其具备显著的不足，那就是被测样品需要满足导电的特征。随后葛·宾尼在 STM 的基础上将导电的研究基底拓展到绝缘材料体系，发明了原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM），其运行原理如图 1.1（b）所示。AFM 借助探针跟被测基底之间存在的微弱作用，进而得到实验样品的表面图像，AFM 可以得到分辨率很高的图像，此外其对于实验样品的要求不是很严格，所以大量运用在纳米材料的形态研究等领域中[1-3]。

SECM的各种应用

【参考文献】

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本文编号：2730489