双模原子力显微技术在形貌和材料特性的同时测量方面得到了广泛应用,通过改变探针形状或传感方式以获得更好的信噪比及灵敏度,是双模原子力显微技术的重要发展方向之一。与直接将针尖粘连在音叉臂上的传统音叉探针相比,新型音叉探针借助将长而软的U型悬臂梁对称粘在音叉两臂上的特殊结构,保留了高灵敏度、高品质因数的优点,降低了探针的刚度,避免了扫描过程中对较软样品造成损坏。然而新型音叉探针由于结构复杂,其工作原理分析困难,限制了其应用范围。本文研究了新型音叉探针用于双模原子力显微镜的基本原理,搭建了基于该探针的双模原子力显微测试系统,实现了多种工作模式并进行了比较,完成了样品的扫描成像及针尖样品间耗散功率的定量分析。主要完成工作如下:1、综述了双模原子力显微技术的发展过程、存在的问题以及基本原理;分析了将石英音叉探针用于双模原子力显微镜的优势和难点,说明了新型音叉探针的优势,探讨了以其替代传统悬臂梁探针的可行性。2、设计并搭建了双模原子力显微测试系统,确定了测量参数;研究了测试系统中寄生电容的形成原因、影响及减弱其影响的方法;测量了环境温度对探针谐振频率和品质因数的影响;分析并选择了形貌成像的最佳工作模式;测试了四种工作模式的成像能力,证明最佳工作模式为能实现耗散功率定量分析的调幅-开环幅值信号模式。3、建立了探针的多级耦合模型,提出了耦合参数的意义和测量方法;推导了输出电信号的谐振频率与针尖样品间等效力梯度的关系,说明了二阶谐振频率灵敏度很低的特点,建立了该探针的有限元仿真模型对多级耦合模型进行了验证。4、以二阶开环幅值信号替代了传统的相位信号对针尖样品间耗散功率进行了定量分析,避免了相位正弦值的非单调性及参数测量的复杂性等问题,通过对特定样品进行多次测量,验证了该方法的稳定性。