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AFM的计量特性研究

作　者: 黄宇
导　师: 朱若谷
学　校: 中国计量科学研究院
专　业: 测试计量技术与仪器
关键词: 原子力显微镜(AFM) 亚谐振小振幅模式三维校准计量型扫描针显微镜(MSPM)
分类号: TH742
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 75次
引　用: 2次
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内容摘要

纳米科学是21世纪全球技术发展的4大重要领域之一，纳米生物、纳米材料、纳米器件、纳米测量、纳米微电子....，“纳米”将渗入各学科发展的方方面面，为了让纳米尺寸真正变为现实，纳米计量势在必行。无论是对传递标准的制备、传递标准的国际比对还是计量型扫描探针显微镜系列(MSPMS)的研制，以及对测量结果的误差修正、SPM测量不确定度体系的建立等都是当今全世界计量工作者研究的热点问题。本文在认真分析世界纳米计量研究现状的基础上，在实际条件允许的情况下，重点研究了AFM探针工作模式、AFM的一维栅形测量、利用一维栅形图像对AFM的X-Y平面、Z轴方向的工作特性进行校准以及基于FT和FFT栅距求解以进一步反映AFM测量精度等问题，最后在原国基金和国家教育部重点项目的研究内容的基础上，完成了基于双F-P的MAFM的总体理论设计。其中，本文具体研究的内容及难点包括：(1)在对AFM探针的各工作模式讨论中，从基本振动原理入手，重点研究了AC轻敲模式下悬臂梁小振幅振动的情况，其难点在于怎样通过对悬臂梁刚度、品质因数、相互作用刚度等参数的选择，实现测量对稳定性、原子级测量精度、分辨率的要求，从理论上验证了亚谐振AM小振幅模式的优越性，实现探针与样品表面作用力的线性关系，这是探针工作模式研究中的一个新领域；(2)在AFM对一维栅的测量中，在确保测量环境和测量条件得以满足的前提下，利用AFM对一维衍射校准光栅进行测量；然后，利用SPIP对单次部份扫描图像进行误差修正，从而实现对AFM三维运动特性的校准，并通过对多次、多部分扫描图像的分析，验证了校准重复性；最后介绍了通过对傅氏频谱图加窗函数和滤波实现了对栅形图像的噪声处理，求出栅形栅距；(3)在利用双F-P干涉原理进行MAFM总体设计时，完成PZT驱动系统和干涉系统的整合。设计方案有两套，第一套只针对溯源，第二套既有溯源又有定位，主要讨论如何使干涉系统能配合探针实现Z轴定位。此外，还将讨论如何实现将干涉信号转化为探针位移量以及如何对三维干涉系统的光源进行设计。针对各部份的重点和难点问题，本文分别作了深入全面的理论计算和实验研究，从理论上验证了悬臂梁AM亚谐振小振幅模式中探针与样品表面作用力的线性关系，为AFM探针工作特性的进一步改善奠定了理论基础；利用SPIP软件的部份功能对AFM三维特性校准后，使X-Y平面的平均位置偏差减少到亚象素水平，通过长时间的连续测量验证了校准体系的重复性，同时，Z轴方向得到了误差修正r=0.9986的最佳值；在MAFM的设计方案中，使双F-P干涉系统同时完成了对AFM的探针定位和溯源两大功能，光源设计也不采用传统的三维方向三套He-Ne激光器的做法，而以“一套He-Ne激光器”+“一套1×3光纤分路器”为三套干涉系统提供光源，这对AFM计量特性的实现提供了一种新的解决办法。

全文目录

中文摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-26
  1.1 纳米计量  11-14
    1.1.1 纳米计量的重要性、迫切性  11-12
    1.1.2 纳米计量的定义  12
    1.1.3 纳米计量的内容  12
    1.1.4 纳米计量的发展  12-13
    1.1.5 纳米计量的目标  13-14
  1.2 计量型原子力显微镜  14-16
    1.2.1 AFM的一般性工作原理  14
    1.2.2 商用AFM的固有缺陷及计量型AFM研制的迫切性  14-15
    1.2.3 计量型AFM的结构和特点  15
    1.2.4 计量型AFM的研究和发展  15-16
  1.3 五大国际比对  16-24
    1.3.1 概述  16-17
    1.3.2 线宽  17-18
    1.3.3 台高  18-20
    1.3.4 线纹尺  20-22
    1.3.5 一维栅  22-23
    1.3.6 总结  23-24
  1.4 研究背景和内容  24-26
    1.4.1 研究背景  24
    1.4.2 研究内容  24-25
    1.4.3 研究创新点  25-26
第二章 AFM小振幅工作模式的理论研究  26-38
  2.1 概述  26
  2.2 标准AFM技术的局限性  26-28
  2.3 小振幅AFM理论  28-33
    2.3.1 小振幅AFM的基本理论  28
    2.3.2 小振幅原理的振动方程  28-29
    2.3.3 小振幅轻敲模式  29-30
    2.3.4 亚谐振(Sub-resonance)模式  30-31
    2.3.5 FM小振幅模式  31
    2.3.6 力调制模式  31-32
    2.3.7 具体的实施因素  32
    2.3.8 小振幅模式的具体工作条件—线性测量所要求的小振幅  32-33
  2.4 小振幅模式的性能限制  33-36
    2.4.1 稳定性的限制  33
    2.4.2 灵敏度限制  33-34
    2.4.3 热噪声限制  34-35
    2.4.4 小振幅各种模式的性能评价  35-36
  2.5 应用前景总结  36-38
第三章基于一维栅的AFM测量和校准  38-74
  3.1 一维栅的测量  38-42
    3.1.1 测量环境的控制  38
    3.1.2 AFM的相关参数  38-39
    3.1.3 一维栅的相关参数  39
    3.1.4 测量参数和测量条件  39-42
    3.1.5 校准方法  42
  3.2 X-Y平面横向校准  42-58
    3.2.1 利用晶格校准建立参考坐标系  43-46
    3.2.2 PZT的横向线性校准  46-50
    3.2.3 精确线性校准  50-55
    3.2.4 横向校准的重复性分析  55-56
    3.2.5 探针缺陷所造成的误差分析  56-58
    3.2.6 小结  58
  3.3 Z轴方向的校准  58-66
    3.3.1 高度分布直方图分析  58-64
    3.3.2 ISO5436分析法的原则  64-65
    3.3.3 小结  65-66
  3.4 基于FT和FFT的一维栅距计算  66-74
    3.4.1 栅形图像的FFT变换  66-67
    3.4.2 栅形傅氏图像的预处理  67-68
    3.4.3 栅形傅氏图像的滤波  68-69
    3.4.4 栅形栅距的求解  69-72
    3.4.5 噪声误差的定性分析  72-73
    3.4.6 小节  73-74
第四章基于双F-P的计量型AFM的设计  74-92
  4.1 计量型AFM的实现原理  74-78
    4.1.1 基本结构  74-75
    4.1.2 工作原理分析  75-76
    4.1.3 MAFM的分类及其特点  76-77
    4.1.4 MAFM存在的问题及改进  77-78
  4.2 基于双F-P的MAFM的设计  78-88
    4.2.1 法布里-珀罗(F-P)干涉仪的原理和特点  78
    4.2.2 激光双F-P干涉纳米测量系统  78-80
    4.2.3 基于双F-P的“校准型”MAFM设计  80-83
    4.2.4 “校准型”MAFM的微位移测量  83-88
    4.2.5 基于双F-P的“校准型”MAFM的特点  88
  4.3 基于双F-P干涉系统的“测量型”MAFM设计  88-91
    4.3.1 结构原理分析  88-90
    4.3.2 控制系统分析  90-91
  4.4 小节  91-92
第五章总结与展望  92-95
  5.1 研究工作总结  92-93
  5.2 研究创新点  93
  5.3 未来工作研究重点  93-95
参考文献  95-101
在读期间公开发表的论文和承担科研项目  101-102
致谢  102

AFM的计量特性研究

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