超声原子力显微镜的亚表面成像机制分析

发布时间：2017-07-25 17:24

  本文关键词：超声原子力显微镜的亚表面成像机制分析

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【摘要】：亚表面纳米成像技术在生物亚细胞现象观测、微纳器件缺陷检测、纳米复合材料表征等领域有迫切需求。结合超声振动调制的原子力显微术可实现样品内部纳米结构的超高分辨率、非破坏性检测,具有良好的应用潜力。然而,目前采用超声原子力显微镜的亚表面纳米成像多为内部结构的定性检测,而缺乏成像影响因素的系统分析以及检测能力的定量表征方法。针对基于超声原子力显微镜亚表面成像机制尚未十分清楚的现状,本文分别从理论及实验方面进行研究,以明确检测振动信号与亚表面结构特性和众多关键影响因素的关联,为后续定量化亚表面分析应用奠定基础。在理论分析方面,亚表面纳米结构会引起原子力显微镜针尖和样品接触作用的变化,从而致使探针的超声振动响应信号产生改变,因此探针振动信号如振幅/相位/频率等蕴含丰富的内部结构特性信息。基于此思路,我们建立了超声原子力显微镜成像的力学模型。该模型主要包括悬臂梁非线性振动分析模型和针尖与样品间接触作用模型。其中,悬臂梁的非线性振动理论模型按照与实际实验设置相比的简化程度,对比分析了简单模型、针尖位置模型、不带针尖位置的横向力模型和带针尖位置的横向力模型等四种模型,阐明了各自的适用场合。随后,在理论得出的振动响应和接触刚度规律关系基础上,探讨了成像参数如法向力、振动模态及针尖半径等关键因素对亚表面检测中局域弹性模量的分辨率及灵敏度的影响。为进一步揭示理论分析得出的针尖／样品间接触刚度与内部纳米结构特性间的关联,我们采用有限元方法对典型内含气泡或球形颗粒的亚表面结构检测进行了仿真计算。首先,在样品特性参数方面,系统研究了内部结构的尺寸、掩埋深度、弹性模量及相邻结构间的耦合等对等效接触刚度的影响。然后,为优化选择亚表面成像参数,分析了法向作用力、针尖位置、检测光点位置对成像衬度及接触共振频率的影响。在实验方面,为对比不同的探针或样品激励方式对亚表面成像的影响,搭建了结合样品超声激励的原子力声学显微镜、探针超声激励的超声原子力显微镜、探针和样品同时超声激励的差频力显微镜多模式自由切换的实验平台。我们以高定向热解石墨样品为例,验证该实验系统的内部结构纳米成像功能,表明这三种操作模式均可实现高定向热解石墨的亚表面成像和缺陷检测。为实现对仪器的亚表面表征能力的定量化评估,我们设计并加工了一系列具有已知尺寸及深度的参考样品,并进行了初步亚表面成像测试。为了填补温度、湿度对原子力显微镜尺寸测量的影响研究的空缺,我们开展了系列分析实验。主要考察了两种不同控制环境下即仪器整体工作环境和样品局域环境对标准二维光栅的原子力显微镜尺寸测量结果的定量影响。
【关键词】：超声原子力显微镜 亚表面成像 内部结构 环境控制
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH742
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-28
• 1.1 亚表面成像技术11-19
• 1.1.1 亚表面成像技术的需求11-12
• 1.1.2 亚表面材料检测方法12-15
• 1.1.3 基于SPM的亚表面成像技术的发展15-19
• 1.2 声学原子力显微镜19-26
• 1.2.1 超声原子力显微镜的发展20-24
• 1.2.2 超声原子力显微镜的应用研究进展24-25
• 1.2.3 总结25-26
• 1.3 论文课题来源与主要研究内容26-28
• 第二章 超声振动调制原子力显微镜的成像机理理论分析28-42
• 2.1 悬臂梁非线性振动28-34
• 2.1.1 自由振动的悬臂梁模型28-30
• 2.1.2 几种简化的接触共振模型30-34
• 2.2 探针-样品接触作用模型34-35
• 2.3 结果分析35-41
• 2.3.1 模型的可靠性分析及模型之间的对比35-37
• 2.3.2 影响因素的分析37-41
• 2.4 本章小结41-42
• 第三章 基于超声原子力显微镜亚表面结构成像的有限元分析42-58
• 3.1 亚表面结构特性对成像衬度影响42-49
• 3.1.1 有限元建模与方法42-44
• 3.1.2 内部结构掩埋深度44-46
• 3.1.3 内部结构尺寸46-47
• 3.1.4 深度及尺寸的耦合影响47-48
• 3.1.5 内部结构材料特性48-49
• 3.1.6 小结49
• 3.2 成像条件参数对成像衬度影响49-56
• 3.2.1 等效接触刚度50-52
• 3.2.2 检测光点位置52-55
• 3.2.3 水平间距分辨力55-56
• 3.3 本章小结56-58
• 第四章 超声原子力显微镜的系统构建及亚表面成像应用实验58-78
• 4.1 超声原子力显微镜的系统平台构建58-68
• 4.1.1 实验系统搭建59-61
• 4.1.2 原子力声学显微镜61-62
• 4.1.3 超声原子力显微镜62
• 4.1.4 缺陷检测62-65
• 4.1.5 石墨缺陷样品杨氏模量的第一性原理计算65-68
• 4.1.6 小结68
• 4.2 参考样品的设计、加工及测试68-73
• 4.2.1 参考样品的设计、加工及测试68-71
• 4.2.2 颗粒复合样品的设计与加工71-73
• 4.3 在颗粒及碳纳米管复合材料上的成像应用73-77
• 4.3.1 在颗粒复合样品上的成像检测73-76
• 4.3.2 在碳纳米管复合样品上的成像检测76-77
• 4.4 本章小结77-78
• 第五章 环境因素对原子力显微镜测量精度的影响分析78-93
• 5.1 研究背景79-80
• 5.2 整机环境影响实验设计80-82
• 5.3 AFM整机的环境对尺寸测量误差的影响82-88
• 5.3.1 实验安排82-84
• 5.3.2 结果与讨论84-88
• 5.4 AFM样品局部的环境对尺寸测量误差的影响88-91
• 5.4.1 实验安排88-89
• 5.4.2 结果与讨论89-91
• 5.5 课题来源及本章小结91-93
• 第六章 总结与展望93-97
• 6.1 主要工作总结93-95
• 6.1.1 论文研究内容总结93-94
• 6.1.2 论文创新性总结94-95
• 6.2 展望95-97
• 参考文献97-104
• 致谢104-106
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果106

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