基于高阶谐振悬臂的动态原子力显微镜的研制

动态原子力显微镜微悬臂为无限自由度系统,具有多个谐振模态的振动特性。微悬臂的工作振动频率是影响动态原子力显微镜系统的测量特性的关键参数之一,为了提高微悬臂的谐振频率,结合悬臂的高阶谐振特性,研制了基于高阶谐振悬臂的轻敲式动态原子力显微镜,可实现对微观表面的测量,并且明显改善了动态原子力显微镜系统的测量灵敏度、测量速度等测量特性。     

原子力显微术轻敲模式中探针样品接触过程及相位衬度研究

借助简单的有阻尼受迫振子模型，研究了原子力显微术轻敲模式中探针与样品接触时间t_c、样品的表面形变D_z和相位衬度对探针设置高度z_c及样品杨氏模量E_s的依赖关系.结果发现,t_c与D_z均随E_s及z_c的增大而减小，同时探针与样品作用过程伴随很小的能量耗散.对轻敲过程中相移量φ的研究表明，E_s较大的样品有较小的φ，且φ随 关键词： 原子力显微术 轻敲模式 相位衬度     

原子力显微镜高次谐波幅度对样品弹性性质表征的研究

轻敲模式下原子力显微镜微悬臂探针在接近其基态共振频率的外加驱动下振荡, 其末端针尖周期性靠近、远离样品, 产生于针尖与样品非线性相互作用过程中的高次谐波信号包含更多的待测样品表面纳米力学特性等方面的信息. 通过理论分析、计算, 系统地研究了针尖与样品接触时间受样品弹性模量的影响, 以及高次谐波幅度与接触时间的关系, 获得了通过高次谐波幅度区分待测样品表面弹性性质差异的规律. 并在自制的高次谐波成像实验装置上, 得到了与理论预期一致的实验结果. 关键词： 轻敲模式原子力显微镜 接触时间 高次谐波幅度 弹性模量     

原子力显微镜探针悬臂几何结构变化对高次谐波信息增强的研究

轻敲模式原子力显微镜高次谐波信号包含待测样品表面纳米力学特性等方面的信息, 但是传统原子力显微镜的高次谐波信号非常微弱. 里兹法证明在探针悬臂的特定位置打孔可以实现探针的内共振从而增强高次谐波信号强度. 本文通过有限元仿真计算获得探针第一共振频、第二共振频及其比值随着孔的尺寸和位置变化的规律. 在实验上通过聚焦离子束在探针悬臂上打孔使其第二共振频约为第一共振频的6倍, 提高了第6次谐波信号的信噪比, 并在实验室研制的高次谐波成像实验装置上获得了6次谐波图像. 关键词： 轻敲模式原子力显微镜 探针悬臂几何结构 高次谐波 聚焦离子束加工     

扫描隧道显微镜和原子力显微镜

 在微观领域对物质进行观察和研究中,人们发明了各种显微镜。但是光学显微镜由于受到光的波长的限制而无法达到很高的分辨率,Ｘ射线衍射技术则要求观察样品必须是晶体,透射电镜则需要对观察样品进行超薄切片。所有这些要求使人们的观察受到了限制,因此人们开始研制更加先进的显微镜。１９８２年宾尼格、罗雷尔及其同事们成功地研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）,导致了显微领域中的一场革命,并在它的基础上研制出一系列的扫描探针显微镜,如原子力显微镜、磁力显微镜和激光力显微镜等。ＳＴＭ的出现使人类第一次可以实时地观测单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理性质和化学性质。     

光学显微镜与CCD监视器组合的原子力显微镜

研制了一种与光学显微镜结合并配置 CCD 监视器的原子力显微镜,可同时获得样品的原子力显微镜图象及光学图象.已能分辨出5纳米的精细结构,最大扫描范围可达2μm.文中给出了本仪器获得的一些样品图象结果.     

原子力显微镜与表面形貌观察

简要介绍原子力显微镜观察材料表面形貌的原理。运用原子力显微镜,观察CD,VCD,DVD和可擦写的VCD光盘的刻录划痕,分析各类光盘的刻录特征,指出原子力显微镜在观察材料表面微米至纳米尺度形貌是非常有效的。     

STM的同胞兄弟--原子力显微镜(AFM)

介绍了在扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）基础上发展起来的原子力显微镜（ＡＦＭ）的工作原理、关键部分、工作模式及其应用。     

原子力显微镜的研究型教学实验设计探讨

介绍了原子力显微镜的基本工作原理及其应用,阐述了在大学物理实验课程中开设原子力显微镜有关实验的必要性和重要意义,结合在教学和科研方面的经验,指出了在大学物理实验课中开设原子力显微镜有关实验的设计。最后,以分析半导体薄膜的形貌特性为例,探讨了原子力显微镜在大学物理实验课中的具体应用。     

试样激励下轻敲模式原子力声显微镜的非线性动力学特性

利用Euler-Bernoulli梁理论和DMT针尖-样品作用力模型建立了试样激励下轻敲模式原子力声显微镜(AFAM)系统的动力学方程,并应用非线性动力学分析方法对AFAM微悬臂梁的振动特性进行研究。通过合理改变超声激励幅值、超声激励频率和针尖-样品初始间距等模型参数模拟得到微悬臂梁的超谐波、次谐波、准周期和混沌振动现象,采用时间序列、频谱、相空间、Poincare截面和Lyapunov指数等方法对不同非线性振动特性进行表征。通过分析不同模型参数条件下微悬臂梁针尖-样品作用力特性,探索了微悬臂梁不同非线性振动现象的产生机制。此外,研究了AFAM微悬臂梁运动的分岔特性,发现当超声激励幅值和针尖-样品初始间隙连续变化时,周期、准周期和混沌运动交替出现。研究结果对AFAM系统非线性动力学行为分析和混沌振动控制提供了理论参考。     

Theory of higher harmonics imaging in tapping-mode atomic force microscopy

The periodic impact force induced by tip-sample contact in tapping mode atomic force microscope (AFM) gives rise to non-harmonic response of a micro-cantilever. These non-harmonic signals contain the full characteristics of tip-sample interaction. A complete theoretical model describing the dynamical behaviour of tip--sample system was developed in this paper. An analytic formula was introduced to describe the relationship between time-varying tip--sample impact force and tip motion. The theoretical analysis and numerical results both show that the time-varying tip--sample impact force can be reconstructed by recording tip motion. This allows for the reconstruction of the characteristics of the tip--sample force, like contact time and maximum contact force. It can also explain the ability of AFM higher harmonics imaging in mapping stiffness and surface energy variations.     

Adaptive semi-empirical model for non-contact atomic force microscopy

Non-contact atomic force microscope is a powerful tool to investigate the surface topography with atomic resolution. Here we propose a new approach to estimate the interaction between its tips and samples, which combines a semi-empirical model with density functional theory (DFT) calculations. The generated frequency shift images are consistent with the experiment for mapping organic molecules using CuCO, Cu, CuCl, and CuO_x tips. This approach achieves accuracy close to DFT calculation with much lower computational cost.     

Understanding tapping-mode atomic force microscopy data on the surface of soft block copolymers

In this paper, we focus on better understanding tapping-mode atomic force microscopy (AFM) data of soft block copolymer materials with regard to: (1) phase attribution; (2) the relationship between topography and inside structure; (3) contrast-reversal artifacts; (4) the influence of annealing treatment on topography. The experiments were performed on the surface of poly(styrene–ethylene/butylene–styrene) (SEBS) triblock copolymer acting as a model system. First, by coupling AFM with transmission electron microscopy (TEM) measurements, the phase attribution for AFM images was determined. Secondly, by imaging an atomically flat SEBS surface as well as an AFM tip-scratched SEBS surface, it was confirmed that the contrast in AFM height images of soft block copolymers is not necessarily the result of surface topography but the result of lateral differences in tip-indentation depth between soft and hard microdomains. It was also found that there is an enlarging effect in AFM images on the domain size of block copolymers due to the tip-indention mechanism. Thirdly, based on the tip-indention mechanism, tentative explanations in some detail for the observed AFM artifacts (a reversal in phase image followed by another reversal in height image) as function of imaging parameters were given. Last, it was demonstrated that the commonly used annealing treatments in AFM sample preparation of block copolymers may in some cases lead to a dramatic topography change due to the unexpected order-to-order structure transition.     

原子力显微镜扫描成像DNA分子

采用Mg2+处理DNA、APTES或戊二醛修饰云母表面、DNA拉直方法制备了λ-DNA及DNA-组蛋白复合物样品.室温下原子力显微镜以轻敲模式在空气中扫描样品成像.实验结果表明:AFM扫描成像的效果与样品的制备方法有关,同时也受操作因素影响.     

原子力显微术研究进展

原子力显微术是微纳米尺度实空间形貌成像与结构表征的关键技术之一。近些年,原子力显微术衍生发展出了一系列令人瞩目的功能化探测模式和新技术。文章从以下两个方面论述了原子力显微术的前沿进展：(1)原子力显微术的功能化探测模式及其在微纳米尺度物性研究与测量以及微纳加工等领域的应用;(2)原子力显微术自身在更高精度、更高分辨率、更快速度、更多功能等方面的进展及在基础和应用研究领域中的应用。文章还展望了原子力显微术的下一步发展方向和正在不断扩展的研究领域。     

强流辐照钛合金表面特征的原子力显微研究

利用原子力显微术的轻敲模式(TM-AFM),并采用形貌与相位同时成像技术对强流脉冲离子束(IPIB)辐照前后试样表面进行了系统标征,得到了试样表面的高度像及相位像的衬度.分析结果表明:在高流强密度、多次脉冲条件下,IPIB辐照可使试样表面变得光滑化,从相位像中可以定性分析出辐照后表面硬度也得到一定程度的提高.     

原子力显微镜在生物物理领域的新应用

介绍了原子力显微镜在生物物理领域的最新应用:蛋白质去折叠、DNA拉伸、生物膜受力,通过分析实验得到的力谱,可以获取关于蛋白质、DNA、生物膜结构信息.原子力显微镜不仅能反映测量体系的力学性质,由于其具有独特的时间、空间分辨及实时成像,因而能提供更多信息.     

Sub-Angstrom oscillation amplitude non-contact atomic force microscopy for lateral force gradient measurement

We report the first results from novel sub-Angstrom oscillation amplitude non-contact atomic force microscopy developed for lateral force gradient measurements. Quantitative lateral force gradients between a tungsten tip and Si(1 1 1)-(7 × 7) surface can be measured using this microscope. Simultaneous lateral force gradient and scanning tunnelling microscope images of single and multi atomic steps are obtained. In our measurement, tunnel current is used as feedback. The lateral stiffness contrast has been observed to be 2.5 N/m at single atomic step, in contrast to 13 N/m at multi atomic step on Si(1 1 1) surface. We also carried out a series of lateral stiffness-distance spectroscopy. We observed lateral stiffness-distance curves exhibit sharp increase in the stiffness as the sample is approached towards the surface. We usually observed positive stiffness and sometimes going into slightly negative region.     

交变力磁力显微镜动态成像技术的研究

近年来磁力显微镜(magnetic force microscopy,MFM)对动态磁场信号的测量与分析由于其特殊的工业要求和重要用途而受到广泛关注,本文旨在利用交变磁力对磁性探针的周期性调制发展一种交变力磁力显微镜技术,为磁信息存储工业等重要领域关键技术的发展提供新型的有力的工具.与目前标准MFM采用的设计思路不同,本文的关键在于合理利用MFM频率调制机理,优化设计MFM磁性探针,并且引入动态信号处理模块,实现对交变磁场信号的MFM成像.为达到这些目的,需要从理论上研究MFM探针的频率调制机理,并由实验上设计出动态信号提取模块,二者相辅结合优化设计出具有动态信号测试和分析能力的交变力磁力显微镜技术,由此来测量和解释纳米尺度磁畴结构.     

原子力显微镜观测生物大分子图像的一种处理方法

针对具有复杂结构的生物大分子图像,本文改进了已有的半自动化方法,设计了一种新的算法去消除背景噪声,目的在于能够从生物大分子图像高效准确地提取量化信息.通过利用这种新的处理程序对生物大分子DNA原子力显微镜图像进行了研究,不仅可以对线性构像的DNA图像进行了处理,而且对于具有分支构像复杂DNA图像也能够处理.本文所提出的数字图像处理方法具有普适性,它也可以被应用到其他成像领域. 关键词： 原子力显微镜 数字图像处理 DNA