【摘 要】
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第一台原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)是诺贝尔奖得主Binning和Rohrer于1986年发明的。此后,AFM作为一种强大的、用途广泛的技术,对各种材料表面进行了原子和微纳米尺度的表征。当AFM在共振频率附近激振时,微悬臂探针以特定的模态振荡,会使探针针尖与样品发生相互作用,通过测量可以得到基本的振动参数:共振频率、相位偏移和振幅等。然而,需要用精确的动力学
【基金项目】
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国家自然科学基金(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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第一台原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)是诺贝尔奖得主Binning和Rohrer于1986年发明的。此后,AFM作为一种强大的、用途广泛的技术,对各种材料表面进行了原子和微纳米尺度的表征。当AFM在共振频率附近激振时,微悬臂探针以特定的模态振荡,会使探针针尖与样品发生相互作用,通过测量可以得到基本的振动参数:共振频率、相位偏移和振幅等。然而,需要用精确的动力学模型提供的等效刚度、等效质量等参数,才能将测量的振动参数转换为样品的物理特性。本文主要通过优化轻敲模式(Tapping Mode)下的AFM动力学模型,提高了模型的准确性,基于此提出了改善相位图成像质量的方法并通过实验进行了验证。主要内容如下:首先提出了计算等效阻尼的新方法,并分别用挠曲线函数和一阶振型函数两种简化方式计算了由欧拉-伯努利梁模型简化为一维弹簧振子模型的等效质量、等效刚度和等效阻尼,并对两种简化方式进行了比较。其次,在各项参数等效的基础上,进一步对固定端位移激励下悬臂梁的响应振幅进行了探讨,设计了无针尖探针远离样品处的扫频实验,实验证明了简化模型的合理性和准确性。最后,研究了不同激振频率对TM-AFM相位对比的影响。推导出了相位对比度与激振频率之间的理论公式。根据这一理论,设计了10组不同激振频率的扫描实验,理论和实验结果吻合较好,证明了激振频率会影响相位对比,最佳激发频率略小于共振频率,且当激振频率接近共振频率时,观察到的相位对比度是最差的。这些结论为改进相位对比成像提供了有价值的参考。
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