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大扫描范围原子力显微镜的研制

作　者: 原剑
导　师: 韩立
学　校: 中国科学院研究生院（电工研究所）
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 原子力显微镜 大扫描范围 扫描探头 压电陶瓷堆
分类号: TH742
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要


原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)是在微纳米尺度进行科学研究时普遍使用的一种测量仪器。普通国产原子力显微镜使用压电扫描管扫描样品,因而扫描范围偏小,不能很好的满足国内生物学研究的需求。针对这一现状,本课题基于NSPM6800型国产原子力显微镜,提供了一种大扫描范围原子力显微镜实验仪器的设计和制作方法。研究原子力显微镜相关的基本理论,可以发现扩大扫描范围的方法关键在于两点:一是提高压电扫描器的性能,二是调整扫描探头的结构。针对这两点,本课题深入分析了国际上典型原子力显微镜产品及NSPM6800扫描探头部分的结构,提出了扩大NSPM6800扫描范围的总体设计方案:在扫描器性能改进方面,采用堆形结构的压电扫描器;在探头结构改善方面,分离XY与Z向压电扫描器,并重新设计了微偏转激光检测机构。这一研究工作的重点在于设计并制作新型扫描探头,难点在于设计时要综合考虑激光器、反射镜、扫描探针、光电位置检测器、压电扫描器、位移平台、信号放大电路等各种要素。本课题用自行设计制作的扫描探头,结合NSPM6800的软硬件控制系统,搭建了一套新型的原子力显微镜实验仪器。为了验证预期的设计目标,本课题选用标准光栅样品进行了扫描实验,并成功获得了大范围(100μm×100μm)以上的扫描图像。本文的研究工作得到了国家自然基金项目“纳米分辨率活细胞扫描探针原位实时显微观测系统的研究”的支持。

全文目录


第一章 引言  7-15
  1.1 纳米技术  7-8
  1.2 扫描隧道显微镜和原子力显微镜  8-9
  1.3 SPM 与生物学研究  9-10
  1.4 AFM 的国内外发展现状  10
  1.5 本课题的研究意义及内容  10-11
  本章参考文献  11-15
第二章 课题设计基本原理  15-25
  2.1 AFM 的基本工作原理  15-16
  2.2 AFM 中的作用力  16-17
  2.3 压电扫描器  17-20
    2.3.1 压电效应  17
    2.3.2 压电扫描器的特性  17-19
    2.3.3 压电扫描器的类型  19-20
  2.4 微偏转的检测方法  20-21
  2.5 AFM 的扫描探针  21-23
    2.5.1 对扫描探针性能的要求  21
    2.5.2 扫描探针的类型  21-23
    2.5.3 扫描探针的选择  23
  本章参考文献  23-25
第三章 实验仪器的设计和制作  25-48
  3.1 总体设计方案的选定  25-30
    3.1.1 初步考虑  25-26
    3.1.2 典型扫描探头分析  26-29
    3.1.3 总体设计方案  29-30
  3.2 扫描探头的设计  30-35
    3.2.1 压电扫描器的设计  30-31
    3.2.2 几何光路的初步设计  31-32
    3.2.3 改进的几何光路设计  32
    3.2.4 几何光路分析  32-35
  3.3 扫描探头的制作  35-44
    3.3.1 针尖架的制作  35-37
    3.3.2 基座和外壳的制作  37-38
    3.3.3 激光器的选择  38-39
    3.3.4 调节架的选择  39
    3.3.5 反射镜架的制作  39-40
    3.3.6 光电检测器的选择  40-41
    3.3.7 输出信号的定义  41-42
    3.3.8 压电扫描器的选择  42
    3.3.9 位移平台的选择  42-43
    3.3.10 扫描探头的组装  43-44
  3.4 实验仪器的搭建  44-47
    3.4.1 驱动电压的修改  44-45
    3.4.2 连接插头的说明  45-46
    3.4.3 控制软件的修改  46-47
    3.4.4 搭建好的实验仪器  47
  本章参考文献  47-48
第四章 实验结果与分析  48-53
  4.1 实验样品的选择  48
  4.2 实验条件设定  48-49
  4.3 图象处理过程简介  49-50
  4.4 实验结果  50-53
第五章 总结与展望  53-55
  5.1 总结  53-54
  5.2 展望  54-55
附录  55-59
课题研究成果  59-60
致谢  60-61
论文答辩说明  61
关于论文使用授权的说明  61

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 光学仪器 > 显微镜
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