非共振轻敲模式原子力显微镜的研究
发布时间：2021-09-05 05:25
原子力显微镜（AFM）是在微纳尺度观测以及操纵样品的重要工具。与传统的接触模式和轻敲模式AFM相比,非共振轻敲模式AFM因为其控制力精度高并可同步获取多种机械特性等优势得到了广泛的应用。采用基于背景相减和同步算法相结合的方法搭建了一套自制的非共振轻敲模式AFM,并对位置检测电路建立了通用噪声仿真模型,优化了位置检测电路噪声,从而优化了最小可控力的精度,使其最小可控力小于50 pN。接着通过对标准硅材料栅格进行形貌表征验证了系统的成像性能,以及对复合材料的形貌、粘附力、形变等多种力学性质表征,验证了系统及成像方法的有效性。
【文章来源】：仪器仪表学报. 2020,41(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
AFM工作原理
非共振轻敲模式AFM核心是采用远低于悬臂共振频率的正弦信号直接激励Z向压电陶瓷使其带动探针整体做上下运动,同时根据同步信号得到峰值力的计算窗口,将得到的实时偏转信号与背景信号相减后的信号作为反馈输入来进行成像。具体步骤为:使探针逼近样品表面,确定样品位置后再将探针抬离样品,采集一定周期数的背景信号,并对背景信号进行求和取平均的数据处理,将探针再次压至样品表面,根据由下位机所产生的同步信号找到峰值力计算窗口范围并减掉对应的背景信号,再进行求和并取平均值后得到针尖与样品间真正的相互作用力引起的信号,并将其作为反馈信号作为PI (proportional integral)控制器的输入,再将PI控制器的控制输出送入高压放大器,经高压放大器放大后的电压信号控制Z向压电陶瓷的运动,进而完成闭环控制,如图2所示。1.3 机械特性提取
非共振轻敲模式AFM非常重要的优势在于其在形貌之外还可同步获得力-距离的曲线,并可从中获得样品的粘附力、弹性模量、能量损耗和最大形变量等一系列性质。其针尖与样品的作用力随距离变化的曲线如图3所示。当针尖靠近样品时,刚开始其作用力可忽略不计(A点),当渐渐靠近时,体现出吸引力,小于某一阈值时(B点),针尖与样品瞬间接触。之后针尖继续压向样品,此时合外力表现为排斥力,当探针达到最低点时排斥力最大,此点作为力的峰值检测点,再通过采用PID (proportion integration differentiation)控制调节压电陶瓷的位置保持该点处作用力与设定值相等,进而进行形貌成像,在达到最低点后针尖抬起过程中将会受到样品对探针粘附力的作用,探针抬离过程中粘附力对针尖将会产生阻碍作用直到针尖脱离样品时,由于粘附力的忽然消失使悬臂产生衰减振动(D点)。粘附力主要表现在针尖脱离样品时的瞬间的吸引力,包括范德华力、静电力等,通过力曲线的D点便可以进行粘附力成像。
【参考文献】：
期刊论文
[1]原子力显微镜系统FAIT-PI控制器设计[J]. 张胜,许红梅,尹耀庭,刘子瑜. 电子测量与仪器学报. 2019(11)
[2]基于原子力显微镜PeakForce QNM模式下的水泥基材料微区力学性能研究[J]. 罗晓雷,施韬,顾元. 科技通报. 2019(05)
[3]基于图像聚焦定位的AFM自动逼近方法研究[J]. 刘剑,马骏驰,于鹏,魏阳杰,袁帅. 仪器仪表学报. 2018(01)
[4]基于随机方法的AFM探针位置最优估算研究[J]. 袁帅,尧晓,栾方军,郭耸,冯吉远. 仪器仪表学报. 2017(09)
[5]A Practical Pll-Based Drive Circuit with Ultra-Low-Noise Tia for Mems Gyroscope[J]. CHEN Hua,ZHONG Yanqing,MENG Zhen. Instrumentation. 2017(03)
[6]我国微纳几何量计量技术的研究进展[J]. 高思田,李琪,施玉书,李伟,黄鹭. 仪器仪表学报. 2017(08)
[7]动态原子力显微镜悬臂高阶谐振相位特性研究[J]. 黄强先,张蕤,张连生,赵阳,陈丽娟. 电子测量与仪器学报. 2016(09)
本文编号：3384760
【文章来源】：仪器仪表学报. 2020,41(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
AFM工作原理
非共振轻敲模式AFM核心是采用远低于悬臂共振频率的正弦信号直接激励Z向压电陶瓷使其带动探针整体做上下运动,同时根据同步信号得到峰值力的计算窗口,将得到的实时偏转信号与背景信号相减后的信号作为反馈输入来进行成像。具体步骤为:使探针逼近样品表面,确定样品位置后再将探针抬离样品,采集一定周期数的背景信号,并对背景信号进行求和取平均的数据处理,将探针再次压至样品表面,根据由下位机所产生的同步信号找到峰值力计算窗口范围并减掉对应的背景信号,再进行求和并取平均值后得到针尖与样品间真正的相互作用力引起的信号,并将其作为反馈信号作为PI (proportional integral)控制器的输入,再将PI控制器的控制输出送入高压放大器,经高压放大器放大后的电压信号控制Z向压电陶瓷的运动,进而完成闭环控制,如图2所示。1.3 机械特性提取
非共振轻敲模式AFM非常重要的优势在于其在形貌之外还可同步获得力-距离的曲线,并可从中获得样品的粘附力、弹性模量、能量损耗和最大形变量等一系列性质。其针尖与样品的作用力随距离变化的曲线如图3所示。当针尖靠近样品时,刚开始其作用力可忽略不计(A点),当渐渐靠近时,体现出吸引力,小于某一阈值时(B点),针尖与样品瞬间接触。之后针尖继续压向样品,此时合外力表现为排斥力,当探针达到最低点时排斥力最大,此点作为力的峰值检测点,再通过采用PID (proportion integration differentiation)控制调节压电陶瓷的位置保持该点处作用力与设定值相等,进而进行形貌成像,在达到最低点后针尖抬起过程中将会受到样品对探针粘附力的作用,探针抬离过程中粘附力对针尖将会产生阻碍作用直到针尖脱离样品时,由于粘附力的忽然消失使悬臂产生衰减振动(D点)。粘附力主要表现在针尖脱离样品时的瞬间的吸引力,包括范德华力、静电力等,通过力曲线的D点便可以进行粘附力成像。
【参考文献】：
期刊论文
[1]原子力显微镜系统FAIT-PI控制器设计[J]. 张胜,许红梅,尹耀庭,刘子瑜. 电子测量与仪器学报. 2019(11)
[2]基于原子力显微镜PeakForce QNM模式下的水泥基材料微区力学性能研究[J]. 罗晓雷,施韬,顾元. 科技通报. 2019(05)
[3]基于图像聚焦定位的AFM自动逼近方法研究[J]. 刘剑,马骏驰,于鹏,魏阳杰,袁帅. 仪器仪表学报. 2018(01)
[4]基于随机方法的AFM探针位置最优估算研究[J]. 袁帅,尧晓,栾方军,郭耸,冯吉远. 仪器仪表学报. 2017(09)
[5]A Practical Pll-Based Drive Circuit with Ultra-Low-Noise Tia for Mems Gyroscope[J]. CHEN Hua,ZHONG Yanqing,MENG Zhen. Instrumentation. 2017(03)
[6]我国微纳几何量计量技术的研究进展[J]. 高思田,李琪,施玉书,李伟,黄鹭. 仪器仪表学报. 2017(08)
[7]动态原子力显微镜悬臂高阶谐振相位特性研究[J]. 黄强先,张蕤,张连生,赵阳,陈丽娟. 电子测量与仪器学报. 2016(09)
本文编号：3384760
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/3384760.html
