三探针原子力显微镜成像系统研究

发布时间：2020-10-09 00:17

【摘要】：自原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)被发明以来,作为纳米技术研究中一个重要的工具,其在多个领域都得到了应用。AFM作为扫描探针显微镜家族的新成员,由于对样品所处环境的要求更加宽松,这使其在生物科学研究领域中发挥着不可替代的作用。随着纳米技术的发展,对AFM功能性的要求越来越高,在对样品扫描成像的基础上,要求其具有操纵、加工刻蚀、电特性测量等更多的功能。目前,AFM系统以单探针结构为主,无法满足越来越多的功能需求,为了拓展AFM系统的功能与应用范围,本文设计了一种三探针原子力显微镜系统,旨在实现在对样品扫描成像的基础上,拓展其在纳米操纵、力特性测量等研究方向上的应用,本文的主要研究内容有:(1)概述了AFM的发展背景与历史,对国内外的AFM发展现状进行了介绍,总结了单探针原子力显微镜系统存在的不足,进而提出本文的研究内容。(2)对AFM的基本工作原理进行了介绍,总结了AFM系统的工作模式以及探针悬臂梁微位移的检测方法。以光束偏转法作为本设计中探针悬臂梁微位移的检测方法,建立了液体环境中两种检测光路的数学模型,分析了减小光斑跟踪误差的解决方法。(3)基于光束偏转法,设计了三探针原子力显微镜成像系统的光路系统,主要涉及激光器、光电探测器、反射镜等元器件参数的计算与选型。在光路系统的基础上,设计了系统的扫描定位与数据处理单元,最后确定了系统的整体结构并搭建了实验光路系统,系统的扫描范围为200μm×200μm,成像分辨率为1 nm。(4)为了验证系统的性能,对光路系统的误差进行了分析,通过对标准一维光栅扫描成像,评价与验证了自制AFM系统的成像性能。在不同参数条件下,对二维光栅进行了扫描成像研究,分析了设定值、比例增益与积分增益对扫描结果的影响。对细胞进行了成像与力特性的研究,成像的目标为肝癌细胞,最后测量得到了大鼠海马区神经细胞的力特性曲线,讨论了探针接触不同样品时力曲线的区别,为细胞电特性的测量等实验奠定了基础。(5)总结了本课题的研究工作,分析了系统中存在的不足,对未来的工作进行了展望。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH742
【图文】：

图 1.1 Dimension XR 型原子力显微镜镜研究现状究人员对 AFM 的基础理论与实际应用进行了广泛的相互作用机制、特殊用途的探针制作、新型成像模式、硬件设备的性能优化等方面的研究中不断涌现出新镜的研究主要还是集中在提高扫描速度与增大扫描范工研究所微纳加工研究部的殷伯华等人[6]，提出了一方案，该方案中扫描器内的位移平台由纳米压电陶瓷描范围可以达到 100 μm×100 μm，利用正弦波作为驱0 line/s，研究中还分析了三角波与正弦波信号中高次样的成像方法有效地减小了图像的畸变。大学光电信息工程学院的谢志刚等人[7]，设计了一种统，系统具有两种扫描方式，压电扫描方式应用于范

图 1.2 本原公司 CSPM5500 型原子力显微镜研究现状可以看出，现有的 AFM 系统以单探针结构形式要集中在提高扫描速度与增大扫描范围方面，算法的研究键，而扫描范围的增加则受到压电陶瓷等硬件的限制。自与扫描范围和速度相关的研究已经做了很多，单探针 AF经相对成熟，随着 AFM 在纳米技术领域中的应用越来越经不能满足越来越多的需求，基于 AFM 的纳米加工、操求、新技术的出现，要求 AFM 系统具有更多的功能，在多的功能是未来的发展趋势与重点。因此，针对传统单探本文提出了一种三探针原子力显微镜系统方案，通过增加现 AFM 系统的功能扩展，三探针 AFM 系统中的三个探针以相互配合，在扫描成像的基础上，可以完成对样品的移操作，以满足越来越多的功能需求。究内容及意义

第 2 章 原子力显微镜工作原理显微镜工作原理简介显微镜（AFM）是根据原子之间的相互作用力性质对样品进行成像间的作用力是普遍存在的，所以 AFM 不像扫描隧道显微镜一样要AFM 检测的样品可以是导体、半导体甚至是非导体。两个原子之随着距离的变化而改变，当两个原子距离较远时吸引力起主要作用于一种相互吸引的状态。随着两原子间距离的减小吸引力会逐渐减到某个值时原子之间的作用力减小至零，随着原子之间的距离继间的作用力将表现为排斥力。AFM 利用一根对微小力极敏感的弹探针尖端原子与样品表面原子间的作用力，系统中微悬臂的一端固有极尖的针尖，微悬臂受力时会发生偏折，通过检测微悬臂的偏品表面微观形貌的测量，原子力显微镜的工作原理如图 2.1 所示。

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本文编号：2832954