超聲振動(dòng)原子力顯微鏡成像研究.pdf

1、隨著納米科技的飛速發(fā)展，迫切要求開發(fā)能夠描述樣品表面及內(nèi)部納米材料物理特性的新方法和新技術(shù)。傳統(tǒng)基于光學(xué)、聲學(xué)原理的三維成像技術(shù)由于受衍射分辨極限的限制，分辨率較低。對掃描電子顯微鏡（Scanning ElectronMicroscope，簡稱SEM）和透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope，簡稱TEM)而言，若要對樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測則通常需破壞性的樣品處理以及復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)重建，同時(shí)苛刻的真

2、空環(huán)境要求也限制了該類技術(shù)的廣泛應(yīng)用。掃描探針顯微技術(shù)(SPM)具備納米甚至原子量級的實(shí)空間分辨能力，但傳統(tǒng)的SPM技術(shù)僅能對樣品表面特性進(jìn)行觀測，而無法得到內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。
　　 將原子力顯微鏡(AFM)技術(shù)和聲檢測技術(shù)相結(jié)合的聲原子力顯微鏡技術(shù)（Acoustic Atomic Force Microscopy簡稱A-AFM）可以實(shí)現(xiàn)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測，并分析其彈性模量、剛度等力學(xué)特性，其基本原理是在AFM微懸臂梁或樣品基底處激

3、勵(lì)產(chǎn)生頻率不同的超聲振動(dòng)，而聲波經(jīng)與樣品相互作用后攜帶了樣品特性，懸臂梁檢測到振動(dòng)信號的頻率、振幅、相位等變化并反映到所成的相位或振幅圖像上，即可對樣品材料特性及次表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行納米尺度成像。
　　 綜合各類A-AFM技術(shù)，依據(jù)其實(shí)驗(yàn)原理、條件，我們統(tǒng)稱為超聲振動(dòng)原子力顯微鏡（Ultrasonic Vibration Atomic Force Microscopy，簡稱UV-AFM）。本文圍繞UV-AFM的系統(tǒng)構(gòu)建、實(shí)驗(yàn)測試和理論

4、分析，開展了如下研究工作:
　　 (1)在深入理解A-AFM的基本理論的基礎(chǔ)上，搭建了UV-AFM的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并針對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的UV-AFM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成像質(zhì)量更高，減小了形貌圖和振幅/相位圖由于信號延時(shí)產(chǎn)生的偏差，提高了掃描速度。在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行了激勵(lì)頻率和環(huán)境等因素的對比實(shí)驗(yàn)，并對一聚焦離子束(Focused Ion Beam，簡稱FIB)加工的、含有特定內(nèi)部結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行成像，以驗(yàn)證系統(tǒng)對次

5、表面結(jié)構(gòu)的成像能力。
　　 (2)研究了表面形貌對UV-AFM的振幅成像襯度的影響。建立了一個(gè)簡單的針尖樣品接觸力學(xué)模型，得出了UV-AFM振幅與形貌在x方向的微分之間的比例關(guān)系，并通過一系列實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證了這一理論模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)樣品的力學(xué)特性均勻分布且針尖和樣品僅發(fā)生單點(diǎn)接觸的情況下，振幅的襯度和樣品形貌在x方向的微分幾乎是一致的。而當(dāng)反向掃描時(shí)，振幅圖像的襯度發(fā)生翻轉(zhuǎn)。當(dāng)針尖和樣品發(fā)生多點(diǎn)接觸時(shí)，振幅值會(huì)增大，且仍可觀察

6、到振幅與掃描方向相關(guān)的現(xiàn)象。但是在多點(diǎn)接觸情況下，振幅的增加會(huì)掩蓋掉反向掃描時(shí)振幅翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。以上結(jié)論意味著在對樣品進(jìn)行力學(xué)性能檢測時(shí)必須考慮形貌因素對振幅信號的影響。這有助于提高UV-AFM獲取樣品力學(xué)特性數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步探索UV-AFM成像奠定基礎(chǔ)。
　　 (3)實(shí)驗(yàn)研究了在探針激勵(lì)和樣品激勵(lì)這兩種模式下UV-AFM的探針動(dòng)力學(xué)特性和成像特性。在兩種激勵(lì)模式中，接觸共振頻率峰通常都會(huì)被雜散干擾峰所淹沒，這會(huì)給接觸共振頻

7、率的精確識別帶來困難。本文提出兩種方法來幫助精確地識別接觸共振頻率。第一種是比較檢測激光聚焦在懸臂梁自由端不同位置的情況下所獲得的動(dòng)態(tài)幅頻特性曲線;第二種是比較在兩種不同激勵(lì)模式下所獲得的懸臂梁動(dòng)態(tài)幅頻特性曲線。對探針激勵(lì)和樣品激勵(lì)這兩種UV-AFM測量模式的對比實(shí)驗(yàn)表明:除了激勵(lì)頻率正處于干擾頻率附近外，在樣品激勵(lì)模式和探針激勵(lì)模式下獲得的測量結(jié)果彼此相似，且兩種激勵(lì)模式的UV-AFM圖像都耦合了樣品的表面幾何形貌的影響，這對測量局部