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力学与实践 2024年第5期46卷 930-937页

作者：曾瑜刘国林关睿魏征北京化工大学机电工程学院北京100029

原子力显微镜有多种成像模式,轻敲模式是最为常用的扫描方式。轻敲模式能获取样品表面的高度信息和相位信息,其中相位信息具有更多的价值,其能反应样品表面的物理性质。为了理解原子力显微镜的相位成像机理,本文分别使用振动理论和能量... 详细信息

原子力显微镜有多种成像模式,轻敲模式是最为常用的扫描方式。轻敲模式能获取样品表面的高度信息和相位信息,其中相位信息具有更多的价值,其能反应样品表面的物理性质。为了理解原子力显微镜的相位成像机理,本文分别使用振动理论和能量理论推导了相位的理论表达式,发现两种理论方法所得到的相位表达式在本质上是一致的,并由理论结果得知相位与背景耗散和激励频率直接相关。其中背景耗散品的存在会掩盖样品表面的信息,降低相位对比度;而激励频率也会对相位产生极大的影响。本文通过理论和实验分析,发现在扫描过程中存在一个使得相位对比度达到最大的最优激励频率。这些结果对于解释原子力显微镜的相位像,进而在实验中优化相位成像具有重要意义。

关键词：轻敲式原子力显微镜相位成像机理相位对比度能量耗散激励频率

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轻敲式原子力显微镜的相位成像理论和相位对比度优化研究

轻敲式原子力显微镜的相位成像理论和相位对比度优化研究

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作者：曾瑜北京化工大学

学位级别：硕士

轻敲式原子力显微镜(TM-AFM)作为一种关键的纳米尺度表面成像工具,在材料科学、生物学和纳米技术等领域发挥着重要作用。在TMAFM成像过程中,相位像可以得到比高度像更多的关于样品表面的物理化学信息,但是在实际的实验室扫描成像操作过... 详细信息

轻敲式原子力显微镜(TM-AFM)作为一种关键的纳米尺度表面成像工具,在材料科学、生物学和纳米技术等领域发挥着重要作用。在TMAFM成像过程中,相位像可以得到比高度像更多的关于样品表面的物理化学信息,但是在实际的实验室扫描成像操作过程中,很容易得到对比度低的相位像。本文为了更深入地理解相位成像机理,优化相位成像对比度,通过振动理论和能量理论推导了相位的表达式,并发现了激励频率与背景耗散和相位对比度之间直接相关。基于此本文建立了最主要的背景耗散——空气阻尼耗散的作用机理模型,并通过优化激励频率和探针的形状结构来提高相位对比度。最后本文还讨论了TM-AFM中的双稳态现象,提出了样品高度的突然变化会导致相位赝像产生的观点。对于在空气环境下工作的AFM探针,其背景耗散的主要来源是空气阻尼耗散,在本文中,空气阻尼的作用被分为了孤立阶段和压膜阶段两个阶段,当探针远离样品时,探针仅受空气粘性阻尼的作用;当探针逐渐接近样品时,则需要同时考虑空气粘性阻尼和空气压膜阻尼的影响。本文建立了微球探针和锥形探针的空气粘性阻尼和空气压膜阻尼耗散的理论模型,讨论了探针在不同针尖-样品距离下品质因数的变化规律。通过理论、实验和仿真的手段,发现在孤立阶段,微球探针的空气粘性阻尼与微悬臂梁相当,而锥形探针可以忽略空气粘性阻尼。在压膜阶段,微球探针的压膜阻尼集中在针尖上,而锥形探针的压膜阻尼主要集中在微悬臂梁上。接着本文探讨了激励频率和探针结构形状对轻敲式原子力显微镜相位成像对比度的影响,并提出了提高相位对比度的方法。在激励频率方面,理论和实验均证实了存在一个最优的扫描频率,可以使得相位对比度达到最大,并给出了实验拟合方法来确定这个最优扫描频率。在探针结构形状方面,通过有限元仿真设计了多种不同结构参数的探针进行模拟,结果表明探针的自由端与固定端之比、长宽比和长厚比均会直接影响相位对比度。最后本文还讨论了轻敲式原子力显微镜中吸引排斥双稳态现象对相位成像的影响。研究发现自由振幅越大,过渡区域越平滑,双稳态现象越不显著,反之亦然。其次本文还发现因为双稳态的存在,形貌的突然变化会导致相位赝像的产生。基于双稳态理论,本文提出了一种避免赝像的方法,即确保探针处于吸引区和排斥区工作,而非过渡区。本文的结论对于更加深入地理解TM-AFM的相位成像机理,促进相位成像技术发展具有重要意义。

关键词：轻敲式原子力显微镜相位理论空气耗散相位优化双稳态

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轻敲式原子力显微镜环境阻尼研究

轻敲式原子力显微镜环境阻尼研究

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北京力学会第26届学术年会

作者：魏征北京化工大学机电工程学院

探针样品间的能量耗散对于理解轻敲模式下原子力显微镜的成像机理至关重要,样品特性和测量环境会影响能量耗散。在原子力显微镜的轻敲模式中,探针-样品系统的能量损耗可以分为内禀耗散和外部耗散两类。本文把探针样品间与成像有关的阻... 详细信息

探针样品间的能量耗散对于理解轻敲模式下原子力显微镜的成像机理至关重要,样品特性和测量环境会影响能量耗散。在原子力显微镜的轻敲模式中,探针-样品系统的能量损耗可以分为内禀耗散和外部耗散两类。本文把探针样品间与成像有关的阻尼之外的所有阻尼称为环境阻尼,研究各类阻尼的特性及其对原子力显微镜系统的贡献。

关键词：轻敲式原子力显微镜环境阻尼探针样品系统接触阻尼

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轻敲式原子力显微镜双稳态现象的研究

轻敲式原子力显微镜双稳态现象的研究

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北京力学会第30届学术年会

作者：曾瑜魏征北京化工大学机电工程学院

轻敲模式是原子力显微镜中使用最为广泛的操作模式之一,它通过检测探针针尖的位移信号来获取样品的表面信息,因此研究针尖的动态响应对于轻敲式原子力显微镜的相位成像具有重要意义。本文使用Dejarguin-Muller-Toporov(DMT)接触模型来... 详细信息

轻敲模式是原子力显微镜中使用最为广泛的操作模式之一,它通过检测探针针尖的位移信号来获取样品的表面信息,因此研究针尖的动态响应对于轻敲式原子力显微镜的相位成像具有重要意义。本文使用Dejarguin-Muller-Toporov(DMT)接触模型来表示针尖与样品之间的接触作用。通过四阶龙格库塔法对不同自由振幅下的针尖的动态响应进行了模拟。从模拟结果中发现在轻敲式原子力显微镜工作过程中存在着吸引和排斥两种工作状态,这两种状态之间的过渡可能是平滑的或阶梯状的,这取决于自由振幅。而阶梯状的不连续总是在相同条件下存在两个振荡状态的结果,即双稳态现象。本文计算了不同针尖-样品分离距离下的振幅和相位,分析了不同自由振幅对双稳态现象的影响。

关键词：轻敲式原子力显微镜双稳态 DMT接触模型

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基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜的设计

基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜的设计

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作者：王祥合肥工业大学

学位级别：硕士

扫描探针显微镜(SPM)是研究纳米科技的重要工具,在SPM家族中,以原子力显微镜(AFM)的应用最为广泛,它可以在大气、液体等多种环境下对导体、半导体、绝缘体等多种材料进行观察,适应性很强。文中在研究原子力显微镜工作原理的基础上,开发... 详细信息

扫描探针显微镜(SPM)是研究纳米科技的重要工具,在SPM家族中,以原子力显微镜(AFM)的应用最为广泛,它可以在大气、液体等多种环境下对导体、半导体、绝缘体等多种材料进行观察,适应性很强。文中在研究原子力显微镜工作原理的基础上,开发基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜系统。文中完成的设计工作主要为以下几部分:原子力显微镜主体结构设计中,分别对基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜的基座和测头设计做了详细介绍。在基座设计方面,阐述了系统的核心部件三维压电陶瓷扫描器的工作原理及构成;同时,分析设计了探针-样品逼近系统,此系统通过精密直流电机驱动螺旋测微头实现了纳米量级的步进。测头设计的重点是硅悬臂变形检测系统和激光光路调整机构。轻敲式探针励振单元部分,提出基于直接数字频率合成(DDS)的轻敲式探针励振方法,并设计了基于AD9833的轻敲式探针励振电路,最后分析了励振电路的输出频率特性和驱动能力。控制信号的检测、处理和采集部分中,根据系统信号的特点,设计并调试了四象限光电检测单元、信号处理电路单元和直流电压信号的采集单元。最后,对系统关键结构调试方法给出详细介绍,并对系统电路部分的噪声和系统频率响应进行了测试,分析和评定文中设计的系统达到的性能指标。本文设计开发了基于高阶谐振的轻敲式原子力显微镜系统,此系统的研制也为以后开展初级谐振探针和高阶谐振探针的扫描图像比对、检验高阶谐振探针扫描技术的优越性等研究工作建立了良好的平台。

关键词：压电陶瓷管四象限光电二极管硅悬臂探针轻敲式原子力显微镜直接数字频率合成

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基于DDS的轻敲式原子力显微镜探针驱动方法研究

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工具技术 2010年第5期44卷 103-106页

作者：黄强先王祥合肥工业大学仪器科学与光电工程学院合肥工业大学

以DDS芯片AD9833为核心,以NI6229数据采集卡的数字I/O口模拟SPI总线控制AD9833,实现了1Hz到10MHz频率范围内连续正弦信号输出,分辨率达到10-5,最小步进1Hz。数据采集卡与DDS芯片AD9833的结合为轻敲式原子力显微镜探针的驱动提供了稳定... 详细信息

以DDS芯片AD9833为核心,以NI6229数据采集卡的数字I/O口模拟SPI总线控制AD9833,实现了1Hz到10MHz频率范围内连续正弦信号输出,分辨率达到10-5,最小步进1Hz。数据采集卡与DDS芯片AD9833的结合为轻敲式原子力显微镜探针的驱动提供了稳定精确的正弦信号源。实验证明,此设计硬件电路结构简单,软件控制灵活,输出信号频率稳定,精确。

关键词： AD9833 直接数字频率合成(DDS) 正弦信号轻敲式原子力显微镜

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原子力显微镜悬臂梁压膜阻尼特性研究

原子力显微镜悬臂梁压膜阻尼特性研究

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北京力学会第26届学术年会

作者：刘晶魏征北京化工大学机电工程学院

微悬臂梁是轻敲式原子力显微镜(TM-AFM)的关键部件之一,而品质因数又是衡量其动态特性的关键指标。本文求解雷诺方程,给出了微悬臂梁随速度分布相关的压膜阻尼表达式,并通过构建微悬臂梁振动方程,得到微悬臂梁自由振动末端品质因数(Q)... 详细信息

微悬臂梁是轻敲式原子力显微镜(TM-AFM)的关键部件之一,而品质因数又是衡量其动态特性的关键指标。本文求解雷诺方程,给出了微悬臂梁随速度分布相关的压膜阻尼表达式,并通过构建微悬臂梁振动方程,得到微悬臂梁自由振动末端品质因数(Q)与针尖-样品距离(h)的关系式。在此基础上,对比分析了倾斜悬臂梁和水平悬臂梁的压强分布以及在相同条件下的Q-h曲线,并与实验结果相对照,证明了高频振动微悬臂梁距离样品较近时,压膜阻尼是影响其品质因数的重要因素。这一结论对原子力显微镜微悬臂梁探针振动特性具有重要意义。

关键词：轻敲式原子力显微镜微悬臂梁压膜阻尼品质因数

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AFM-TM微悬臂梁系统混沌运动及控制算法分析

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计量学报 2024年第3期45卷 356-363页

作者：宋佩颉褚衍东张航俞睿兰州交通大学机电工程学院甘肃兰州730070 甘肃省计量研究院长度计量研究所甘肃兰州730050

针对轻敲式原子力显微镜微(AFM-TM)悬臂梁系统的混沌运动会严重影响到AFM-TM的测量精度的问题,对该系统动力学特性及控制算法进行了分析。首先,通过数值仿真,综合利用Lyapunov指数、分岔图、Poincaré截面和相位图分析了外部激励幅值变... 详细信息

针对轻敲式原子力显微镜微(AFM-TM)悬臂梁系统的混沌运动会严重影响到AFM-TM的测量精度的问题,对该系统动力学特性及控制算法进行了分析。首先,通过数值仿真,综合利用Lyapunov指数、分岔图、Poincaré截面和相位图分析了外部激励幅值变化时AFM-TM微悬臂梁系统运动特性的演化;然后,提出将延时反馈控制和模糊自适应延时反馈,用于控制系统的混沌运动;最后,对两种控制算法进行了比较。研究结果表明,当无量纲外部激励幅值在[0.65,0.85]等取值区间内取值时,系统表现出明显的混沌运动特性;延时反馈控制和模糊自适应延时反馈控制均能有效的将系统的混沌运动拉回到周期轨道,但模糊自适应延时反馈更适用于AFM-TM被测样品变化的复杂情况。结果对AFM-TM微悬臂梁外部激励参数选择、非线性系统复杂动力学特性分析和混沌运动控制提供有意义的理论参考。

关键词：几何量计量轻敲式原子力显微镜微悬臂梁混沌运动延时反馈控制模糊控制

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