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AFM的改进及其在材料学、生物学上的应用

作　者: 王露
导　师: 王银峰
学　校: 重庆大学
专　业: 理论物理
关键词: 原子力显微镜 微悬臂系统 监控系统 电老化绝缘纸 卟啉
分类号: TH742
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 212次
引　用: 2次
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内容摘要


原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)是在扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM)基础上发展起来的,它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。原子力显微镜不受扫描隧道显微镜只能测量导体、半导体的限制,对样品无特殊要求,可测量固体表面、吸附体系等,而且具有原子量级的分辨率,能够实时地在空间原位观察与操控原子。因此,AFM在材料科学、生物学、纳米机电及微纳加工领域得到了广泛的应用。随着纳米技术的迅速发展,原子力显微镜自身也得到了很大的发展。本论文的研究对象是重庆大学恒瑞纳米技术工作站自主研制的AFM.IPC-208B型原子力显微镜。以该AFM为基础,主要做了以下几方面的研究工作:1.系统阐述STM及AFM的工作原理,国内外发展现状以及在材料学、生物学、纳米加工等领域的应用情况。2.详细介绍AFM.IPC-208B型原子力显微镜的系统构造,重点是对镜体部分的介绍,并且详述该AFM的工作过程。3.对AFM.IPC-208B型原子力显微镜所进行的性能上的改进。例如减震系统的改进,改进了微悬臂三坐标驱动机构,变更微悬臂系统固定的位置,很大程度上降低了电机进给时对微悬臂系统的震动影响;AFM可视化方面的改进,给镜体部分增加一个CCD系统,以实时监控探针与样品的距离以及探针的动作,并且设置一个3D光学系统与AFM系统联用,极大降低了AFM的调节难度,提高了调节效率以及测量的准确性;电机进给系统的改进,把现有进给系统四个方向的步进电机更换成伺服电机,并重新设计相应的驱动电路,提高了进给的稳定性,使电机的定位精度进一步提高。4.介绍了AFM.IPC-208B型原子力显微镜在材料学、生物学上的最新实验应用。给出了该AFM所测得的纳米铁电体、电老化绝缘纸、羟丙基-β-环糊精、卟啉等样品的表面形貌图,详细分析及应用介绍。

全文目录


中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-17
  1.1 引言  8
  1.2 扫描隧道显微镜及原子力显微镜  8-11
    1.2.1 隧道效应  8-9
    1.2.2 扫描隧道显微镜工作原理  9-10
    1.2.3 扫描隧道显微镜的优缺点  10-11
    1.2.4 原子力显微镜  11
  1.3 STM 及AFM 的主要应用  11-15
    1.3.1 在表面科学中的应用  11-12
    1.3.2 在生命科学上的应用  12-13
    1.3.3 在微纳加工中的应用  13-15
  1.4 本论文课题的研究意义及研究内容  15-17
    1.4.1 本论文课题的研究意义  15
    1.4.2 本论文的研究内容  15-17
2 原子力显微镜技术  17-31
  2.1 原子力显微镜基本理论  17-22
    2.1.1 原子作用力  17-18
    2.1.2 原子力显微镜的工作原理  18-19
    2.1.3 AFM 的工作模式及检测方法  19-22
  2.2 AFM.IPC-2088 型原子力显微镜系统构造  22-29
    2.2.1 系统组成  22-23
    2.2.2 镜体结构  23-28
    2.2.3 数据采集与控制系统  28-29
  2.3 AFM.IPC-2088 型原子力显微镜工作过程  29-31
3 原子力显微镜系统的改进  31-46
  3.1 减震系统的改进  31-35
    3.1.1 减震系统  31-32
    3.1.2 减震系统的改进  32-35
  3.2 CCD 系统与3D 光学系统  35-37
    3.2.1 CCD 系统  35-36
    3.2.2 3D 光学系统  36-37
  3.3 电机系统的改进  37-46
    3.3.1 步进电机系统  37-39
    3.3.2 伺服电机  39-41
    3.3.3 驱动控制电路  41-46
4 原子力显微镜在材料学、生物学上的应用  46-62
  4.1 原子力显微镜分辨率测试  46-47
    4.1.1 对石墨的测试  46-47
    4.1.2 对云母的测试  47
  4.2 原子力显微镜在材料学上的应用  47-56
    4.2.1 纳米铁电体表面形貌分析  48-50
    4.2.2 变压器绝缘纸研究  50-56
  4.3 原子力显微镜在生物学上的应用  56-62
    4.3.1 羟丙基-β-环糊精研究  56-58
    4.3.2 卟啉结构研究  58-62
5 总结与展望  62-64
  5.1 全文总结  62
  5.2 后续研究工作展望  62-64
致谢  64-65
参考文献  65-67
附录  67

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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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