题目：探针快速扫描模式的原子力显微视频成像系统研究

实时观测样品在纳米尺度的动态过程对研究物理、化学、生物等微观机理及变化过程具有重要的意义。本论文对探针快速扫描模式的原子力显微视频成像系统进行了研究。主要的工作包括以下几个方面：

（1）在分析研究了微悬臂探针的机械特性、动态模型以及针尖与样品间相互作用力产生机制的基础上，对恒高模式高速扫描中微悬臂探针的动态行为进行了研究。高速扫描中AFM最大扫描速度研究结果表明，减小微悬臂的有效质量、选用高共振频率的微悬臂可以提高AFM系统的最大扫描速度。恒高模式高速扫描中AFM微悬臂的振动研究表明，样品表面微孔中平行于边沿的周期性波状结构是由微悬臂的振动造成的假象；选用高共振频率、低弹性常数的微悬臂可以抑制这种现象。

（2）在分析研究了高频小探针对偏转检测系统的要求、光杠杆检测原理、光杠杆改进方案以及非球面透镜的优势并进行选型的基础上，研制了基于非球面透镜的新型探针偏转检测系统。该系统中，设计了共轴-对称式光路结构；完成了检测系统的机械结构的设计与建模，并进行了部件的选择与安装以及前置放大电路的改进设计；完成了检测系统的加工和组装。实验观测结果中，聚焦光斑直径缩小到了16 µm以下，并能在常规模式下获得实验样品的高质量AFM图像。实验结果表明，本检测系统性能可靠，满足原子力显微视频成像系统对探针偏转检测系统的要求。

（3）在分析研究了双压电片共振扫描器的优势、工作原理与重要参数的基础上，研制了基于双压电片的共振式探针高速扫描器。该新型扫描器能够方便地调整自由端长度，对比实验表明，其可以达到大于3 kHz的共振频率，且不受样品质量影响。利用系统HSAFM和常规AFM原位成像自由切换的特点，对扫描范围进行标定，实验结果表明，该方法准确有效。设计了正弦共振扫描中实时图像校正方法与系统，实验结果表明，该系统可以在数据采集的过程中实时补偿相位滞后和校正非线性畸变。

（4）研制完成了原子力显微视频成像系统，并进行了相关应用实验。系统集成中，完成了系统硬件总体设计、高速数据采集卡选型以及Y方向样品倾斜硬件补偿；完成了系统软件总体设计、高速扫描控制与数据采集同步处理、图像实时校正显示与存储以及X方向非线性倾斜实时校正。应用实验中，采用二维标准光栅和ITO薄膜样品对本系统的扫描范围进行了测试；通过对压电陶瓷在变化电场作用下的动态变化过程的实时观测测试了本系统的视频成像性能。实验结果表明，本系统扫描范围可达9 × 9 mm2且最大范围可调，扫描行频达到3.16 kHz，成像速度达到31.6 frames/s（fps），具有视频成像的能力。