轻敲模式下原子力显微镜动力学特性研究
发布时间：2022-01-23 07:23
微纳机电系统(（Micro/Nano-electromechanical System,MEMS/NEMS）的核心部件——微纳谐振器有着高灵敏度、高品质因数、高谐振频率等多种优越的性能。原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）的核心部件探针就是一种微纳谐振器。在工作过程中,随着探针从距离样品表面较远到接近样品,最后接触样品表面,探针系统的动力学特性一直都在改变。本文通过建立轻敲模式下的AFM动力学模型,分析和验证了探针在工作过程中的动力学行为变化规律,在此基础上提出了改善相位图成像质量的方法并进行了实验验证。具体内容如下:首先,建立轻敲模式下的AFM系统动力学模型。针对微悬臂梁上的单位微元进行受力分析并求解了欧拉贝努利梁模型的振动微分方程,分析了自由端简谐力激励和固定端位移激励两种模型的异同点;再将这两种连续体模型进一步简化为单自由度的质量弹簧系统,推导了两种模型的等效原则并创新性地提出了等效阻尼和等效位移激励的表达式。其次,分析和验证了 AFM系统在工作过程中的能量耗散机理变化。分别建立了探针在远离样品时的空气黏性阻尼耗散模型,探针在靠近样品期间的空气压...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：111 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?ＡＦＭ接触模式示意图??
?北京化工大学硕士学位论文????二…?１??（ａ）?（ｂ）??图１－１?ＡＦＭ接触模式示意图??（ａ）恒力模式?（ｂ）恒高模式??Ｆｉｇ．?１－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＡＦＭ?Ｃｏｎｔａｃｔ?Ｍｏｄｅ??（ａ）Ｃｏｎｓｔａｎｔ－ｆｏｒｃｅ?Ｍｏｄｅ?（ｂ）?Ｃｏｎｓｔａｎｔ－ｈｅｉｇｈｔ?Ｍｏｄｅ??轻敲模式又被称为间歇接触模式（（Ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ－Ｃｏｎｔａｃｔ?Ｍｏｄｅ）［１（＞］。在轻敲模式下，??ＡＦＭ系统通过压电陶瓷驱动器对探针施加激振频率，激振频率会略小于探针的一阶??固有频率；此时探针针尖会间歇性接触样品表面，通过探针自由端位移信号的变化，??软件可以绘制出样品表面的形貌图；再对比探针针尖的振动信号与ＡＦＭ系统施加的??激励信号之间的相位滞后量差值变化，软件还可以绘制出样品表面的相位图。相对于??只能体现样品表面高度变化的高度像，相位像可以精确地识别出样品表面在同一高度??下不同物理性质的变化［１１］。轻敲模式下探针扫描样品的速度比接触模式慢，花费时间??较长，但可以在不怎么损害样品表面的情况下保证较好的扫描精度，多使用在柔软、??脆性大、黏附力大的样品上［１２，１３］。?????（ａ）?（ｂ）??图１－２?ＡＦＭ两种工作模式示意图??（ａ）轻敲模式?（ｂ）非接触模式??Ｆｉｇ?１－２?ＡＦＭ?Ｔａｐｐｉｎｇ?Ｍｏｄｅ?ａｎｄ?Ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ?Ｍｏｄｅ??（ａ）?Ｔａｐ?ｍｏｄｅ?（ｂ）?Ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ?Ｍｏｄｅ??非接触模式则是探针针尖与样品表面保持５－２０ｎｍ的距离进行非接触扫描Ｍｌ。在??非接触模式下，ＡＦＭ系统通过压电陶瓷
校ＡＦＭ系统通过反馈机制调整控制探针自由端的振幅变化量保持恒定，便可以绘??制出样品表面的形貌图。非接触模式可以最好地保护样品表面形貌，但分辨率较低，??而且扫描速度在三种工作模式中最慢，因此多用于液体环境中的扫描成像。??对比上述三种模式可以发现，轻敲模式扫描速度较快，扫描精度较高、工作限制??较少，并且对样品表面破坏较校因此在研宄样品的表面性质时，轻敲模式是ＡＦＭ??系统中应用最为广泛的扫描模式［１５］。??１．３ＡＦＭ的工作原理??ＡＦＭ的核心部件探针以及激励检测部分示意图如图１－３所示。激光打到探针自由??端并反射到位移传感器（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ?Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ?Ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ＰＳＤ）上便可以得到探针自由端的??位移信号［％。当探针针尖靠近样品表面，样品表面的形貌变换或材质特性改变会使得??探针－样品间作用力同样发生改变，进而改变探针自由端的振动响应；此时由于探针自??由端的偏移，ＰＳＤ上的反射光同样发生偏移，系统通过ＰＳＤ将探针偏移量记录下来??并通过信号处理转化并绘制出形貌图。通过对比探针针尖的振动信号与探针固定端激??励信号的相位滞后量的变化，软件还可以绘制出样品表面的相位图??规探测器??Ｉｆ＂??图１－３?ＴＭ－ＡＦＭ系统的核心部件工作原理图??Ｆｉｇ?１－３?Ｗｏｒｋｉｎｇ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｃｏｒｅ?ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ＴＭ－ＡＦＭ?ｓｙｓｔｅｍ??显微镜探针包含三部分：基座、微悬臂梁和针尖。微梁部分的右端为固定端，固??定在原子力显微镜的基体部分上，另外一端为带针尖的自由端。微梁的长度通常为??１００－５００ｐｍ，厚度为５０〇ｎｍ－５ｇｍ，
【参考文献】：
期刊论文
[1]压膜阻尼对原子力显微镜振动特性的影响研究[J]. 柳世华,魏征,孙岩,刘运鸿. 振动与冲击. 2020(11)
[2]原子力显微镜探针振动的简化模型分析[J]. 丁文璇,刘运鸿,魏征. 力学与实践. 2017(05)
[3]轻敲模式下原子力显微镜的能量耗散[J]. 魏征,孙岩,王再冉,王克俭,许向红. 力学学报. 2017(06)
[4]微纳机械谐振器能量耗散机理研究进展[J]. 张文明,闫寒,彭志科,孟光. 科学通报. 2017(19)
[5]MEMS系统中微平板结构声振耦合性能研究[J]. 唐宇帆,任树伟,辛锋先,卢天健. 力学学报. 2016(04)
[6]原子力显微镜中液桥生成机理探讨[J]. 魏征,赵爽,陈少勇,丁文璇. 应用数学和力学. 2015(01)
[7]原子力显微镜在轻敲模式下的动力学模型[J]. 樊康旗,贾建援,朱应敏,刘小院. 物理学报. 2007(11)
[8]微梁谐振器中的空气阻尼[J]. 冯闯,赵亚溥,刘冬青. 北京科技大学学报. 2007(08)
博士论文
[1]原子力显微镜动力学行为分析[D]. 胡庆泉.上海大学 2007
本文编号：3603884
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：111 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１?ＡＦＭ接触模式示意图??
?北京化工大学硕士学位论文????二…?１??（ａ）?（ｂ）??图１－１?ＡＦＭ接触模式示意图??（ａ）恒力模式?（ｂ）恒高模式??Ｆｉｇ．?１－１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＡＦＭ?Ｃｏｎｔａｃｔ?Ｍｏｄｅ??（ａ）Ｃｏｎｓｔａｎｔ－ｆｏｒｃｅ?Ｍｏｄｅ?（ｂ）?Ｃｏｎｓｔａｎｔ－ｈｅｉｇｈｔ?Ｍｏｄｅ??轻敲模式又被称为间歇接触模式（（Ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ－Ｃｏｎｔａｃｔ?Ｍｏｄｅ）［１（＞］。在轻敲模式下，??ＡＦＭ系统通过压电陶瓷驱动器对探针施加激振频率，激振频率会略小于探针的一阶??固有频率；此时探针针尖会间歇性接触样品表面，通过探针自由端位移信号的变化，??软件可以绘制出样品表面的形貌图；再对比探针针尖的振动信号与ＡＦＭ系统施加的??激励信号之间的相位滞后量差值变化，软件还可以绘制出样品表面的相位图。相对于??只能体现样品表面高度变化的高度像，相位像可以精确地识别出样品表面在同一高度??下不同物理性质的变化［１１］。轻敲模式下探针扫描样品的速度比接触模式慢，花费时间??较长，但可以在不怎么损害样品表面的情况下保证较好的扫描精度，多使用在柔软、??脆性大、黏附力大的样品上［１２，１３］。?????（ａ）?（ｂ）??图１－２?ＡＦＭ两种工作模式示意图??（ａ）轻敲模式?（ｂ）非接触模式??Ｆｉｇ?１－２?ＡＦＭ?Ｔａｐｐｉｎｇ?Ｍｏｄｅ?ａｎｄ?Ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ?Ｍｏｄｅ??（ａ）?Ｔａｐ?ｍｏｄｅ?（ｂ）?Ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ?Ｍｏｄｅ??非接触模式则是探针针尖与样品表面保持５－２０ｎｍ的距离进行非接触扫描Ｍｌ。在??非接触模式下，ＡＦＭ系统通过压电陶瓷
校ＡＦＭ系统通过反馈机制调整控制探针自由端的振幅变化量保持恒定，便可以绘??制出样品表面的形貌图。非接触模式可以最好地保护样品表面形貌，但分辨率较低，??而且扫描速度在三种工作模式中最慢，因此多用于液体环境中的扫描成像。??对比上述三种模式可以发现，轻敲模式扫描速度较快，扫描精度较高、工作限制??较少，并且对样品表面破坏较校因此在研宄样品的表面性质时，轻敲模式是ＡＦＭ??系统中应用最为广泛的扫描模式［１５］。??１．３ＡＦＭ的工作原理??ＡＦＭ的核心部件探针以及激励检测部分示意图如图１－３所示。激光打到探针自由??端并反射到位移传感器（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ?Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ?Ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ＰＳＤ）上便可以得到探针自由端的??位移信号［％。当探针针尖靠近样品表面，样品表面的形貌变换或材质特性改变会使得??探针－样品间作用力同样发生改变，进而改变探针自由端的振动响应；此时由于探针自??由端的偏移，ＰＳＤ上的反射光同样发生偏移，系统通过ＰＳＤ将探针偏移量记录下来??并通过信号处理转化并绘制出形貌图。通过对比探针针尖的振动信号与探针固定端激??励信号的相位滞后量的变化，软件还可以绘制出样品表面的相位图??规探测器??Ｉｆ＂??图１－３?ＴＭ－ＡＦＭ系统的核心部件工作原理图??Ｆｉｇ?１－３?Ｗｏｒｋｉｎｇ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｃｏｒｅ?ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ＴＭ－ＡＦＭ?ｓｙｓｔｅｍ??显微镜探针包含三部分：基座、微悬臂梁和针尖。微梁部分的右端为固定端，固??定在原子力显微镜的基体部分上，另外一端为带针尖的自由端。微梁的长度通常为??１００－５００ｐｍ，厚度为５０〇ｎｍ－５ｇｍ，
【参考文献】：
期刊论文
[1]压膜阻尼对原子力显微镜振动特性的影响研究[J]. 柳世华,魏征,孙岩,刘运鸿. 振动与冲击. 2020(11)
[2]原子力显微镜探针振动的简化模型分析[J]. 丁文璇,刘运鸿,魏征. 力学与实践. 2017(05)
[3]轻敲模式下原子力显微镜的能量耗散[J]. 魏征,孙岩,王再冉,王克俭,许向红. 力学学报. 2017(06)
[4]微纳机械谐振器能量耗散机理研究进展[J]. 张文明,闫寒,彭志科,孟光. 科学通报. 2017(19)
[5]MEMS系统中微平板结构声振耦合性能研究[J]. 唐宇帆,任树伟,辛锋先,卢天健. 力学学报. 2016(04)
[6]原子力显微镜中液桥生成机理探讨[J]. 魏征,赵爽,陈少勇,丁文璇. 应用数学和力学. 2015(01)
[7]原子力显微镜在轻敲模式下的动力学模型[J]. 樊康旗,贾建援,朱应敏,刘小院. 物理学报. 2007(11)
[8]微梁谐振器中的空气阻尼[J]. 冯闯,赵亚溥,刘冬青. 北京科技大学学报. 2007(08)
博士论文
[1]原子力显微镜动力学行为分析[D]. 胡庆泉.上海大学 2007
本文编号：3603884
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