【摘 要】
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轻敲模式原子力显微镜（Tapping mode atomic force microscope,TMAFM）是一种动态原子力显微镜（Dynamic Atomic force microscope,d AFM）,它的核心部件是一个对微小力极其敏感的微悬臂梁,通过监测微悬臂梁末端针尖位置的动态响应即可得到样品的表面信息。因此,对TMAFM中微悬臂梁针尖动力学进行研究对于成像具有重要意义。本文通过模拟和
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目（NSFC 11572031）:原子力显微镜形貌测量的湿度影响及其机理研究；
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轻敲模式原子力显微镜（Tapping mode atomic force microscope,TMAFM）是一种动态原子力显微镜（Dynamic Atomic force microscope,d AFM）,它的核心部件是一个对微小力极其敏感的微悬臂梁,通过监测微悬臂梁末端针尖位置的动态响应即可得到样品的表面信息。因此,对TMAFM中微悬臂梁针尖动力学进行研究对于成像具有重要意义。本文通过模拟和实验对TM-AFM中针尖的动力学响应进行了研究,根据理论模型提出了两种相位成像的优化方法。首先,建立了基底位移激励下TM-AFM中微悬臂梁的动力学模型,讨论了悬臂梁动力学方程中两种不同的边界条件处理方法的差别。通过参数等效得到了微悬臂梁针尖位置处的简化模型,通过模拟和实验获得了不同参数下TM-AFM针尖的竖直位移响应。同时,对单侧线性弹簧以及双侧线性弹簧限制下的针尖动力学进行分析。通过模拟和实验对截断区域的幅频响应进行了研究,对影响针尖在截断区域的幅频响应的因素进行了分析。此外,通过模拟得到了具有相同高度、不同粘度的样品表面的相位以及两个表面之间的相位差,讨论了影响相位对比度的因素。这些结果对于理解单侧限制下的动力学系统的响应具有重要意义,也为TM-AFM的反馈和控制以及相位成像过程的优化提供了参考。TM-AFM中的相位是微悬臂系统中各种耗散的结果。本文通过微悬臂梁系统的耗散模型分析了影响相位和相位对比度的两个因素,得到了两种相位的优化方法。从理论和实验上证明了存在一个最佳的激励频率使得双组分混合物中的两组分间的相位对比度最大,因此可以通过选择最佳激励频率来对两组分间的相位对比度进行优化。此外,只有针尖和样品之间的核心耗散能准确反映样品的性质,背景耗散会降低相位图像的对比度,甚至掩盖或扭曲相位图像中的有效信息。为了解决上述问题,本文使用了一种自激励的方法来消除背景耗散以获得只反映样品真实性质的相位信息。这种方法不仅可以得到样品真实的相位信息,也能在一定程度上提高多组分混合物中各组分间的相位对比度。
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