超聲原子力顯微鏡的亞表面成像機(jī)制分析.pdf

1、亞表面納米成像技術(shù)在生物亞細(xì)胞現(xiàn)象觀測、微納器件缺陷檢測、納米復(fù)合材料表征等領(lǐng)域有迫切需求。結(jié)合超聲振動(dòng)調(diào)制的原子力顯微術(shù)可實(shí)現(xiàn)樣品內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)的超高分辨率、非破壞性檢測，具有良好的應(yīng)用潛力。然而，目前采用超聲原子力顯微鏡的亞表面納米成像多為內(nèi)部結(jié)構(gòu)的定性檢測，而缺乏成像影響因素的系統(tǒng)分析以及檢測能力的定量表征方法。針對基于超聲原子力顯微鏡亞表面成像機(jī)制尚未十分清楚的現(xiàn)狀，本文分別從理論及實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行研究，以明確檢測振動(dòng)信號與亞表面結(jié)構(gòu)

2、特性和眾多關(guān)鍵影響因素的關(guān)聯(lián)，為后續(xù)定量化亞表面分析應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　在理論分析方面，亞表面納米結(jié)構(gòu)會引起原子力顯微鏡針尖和樣品接觸作用的變化，從而致使探針的超聲振動(dòng)響應(yīng)信號產(chǎn)生改變，因此探針振動(dòng)信號如振幅/相位/頻率等蘊(yùn)含豐富的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性信息。基于此思路，我們建立了超聲原子力顯微鏡成像的力學(xué)模型。該模型主要包括懸臂梁非線性振動(dòng)分析模型和針尖與樣品間接觸作用模型。其中，懸臂梁的非線性振動(dòng)理論模型按照與實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)置相比的簡化程度

3、，對比分析了簡單模型、針尖位置模型、不帶針尖位置的橫向力模型和帶針尖位置的橫向力模型等四種模型，闡明了各自的適用場合。隨后，在理論得出的振動(dòng)響應(yīng)和接觸剛度規(guī)律關(guān)系基礎(chǔ)上，探討了成像參數(shù)如法向力、振動(dòng)模態(tài)及針尖半徑等關(guān)鍵因素對亞表面檢測中局域彈性模量的分辨率及靈敏度的影響。
　　為進(jìn)一步揭示理論分析得出的針尖/樣品間接觸剛度與內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)特性間的關(guān)聯(lián)，我們采用有限元方法對典型內(nèi)含氣泡或球形顆粒的亞表面結(jié)構(gòu)檢測進(jìn)行了仿真計(jì)算。首先，在

4、樣品特性參數(shù)方面，系統(tǒng)研究了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸、掩埋深度、彈性模量及相鄰結(jié)構(gòu)間的耦合等對等效接觸剛度的影響。然后，為優(yōu)化選擇亞表面成像參數(shù)，分析了法向作用力、針尖位置、檢測光點(diǎn)位置對成像襯度及接觸共振頻率的影響。
　　在實(shí)驗(yàn)方面，為對比不同的探針或樣品激勵(lì)方式對亞表面成像的影響，搭建了結(jié)合樣品超聲激勵(lì)的原子力聲學(xué)顯微鏡、探針超聲激勵(lì)的超聲原子力顯微鏡、探針和樣品同時(shí)超聲激勵(lì)的差頻力顯微鏡多模式自由切換的實(shí)驗(yàn)平臺。我們以高定向熱解石墨樣