题目：原子力显微镜调频成像模式的研究

自原子力显微镜(AFM)诞生以来，其检测技术迅速发展，应用范围也日趋广泛。目前，原子力显微镜作为一种标准的表面分析仪器，已成功的应用于物理、化学、金属、半导体、微电子、纳米材料、生物、生命科学等众多科学领域。调频成像模式原子力显微镜在应用高品质因数(Q值)探针领域备受关注，高Q值大大提高了探针对于作用在针尖力的灵敏度，从而可以得到更高分辨率的图像。本文描述了基于自激励振荡音叉探针的调频成像模式原子力显微镜。使用石英音叉探针作为检测敏感元件，可以通过对其驱动电极施加一个正反馈，使其自激振荡在其谐振频率。由于不使用外部的探针振荡检测器和外部的探针激振器，与使用光学振荡检测器的传统原子力显微镜相比，系统结构简单并且易于操作。针尖-样品间作用力的变化致使探针悬臂的谐振频率发生变化，从而导致整个调频检测环路的频率的变化。使用频率调制方式检测作用在音叉探针尖的力的变化，因为在高Q值情况下调频检测模式较传统的检测提供较快的响应速度。快速高精度频率解调电路以FPGA为核心，对A/D转换器采集的数字信号进行频率解调，使用D/A转换器将解调的信号进行输出，作为原子力显微镜控制系统的反馈信号。主要完成了整个系统的硬件设计制作，全部的软件编程调试，对整个系统进行设计并搭建成功。调频检测原子力显微镜主要由音叉式探针、自动增益控制振荡电路、快速高精度频率解调电路、电机驱动逼近装置以及原子力显微镜主控系统组成。对整个系统进行了模块测试和成像实验，实验结果表明：可对音叉探针进行自感知检测，并可使用自动增益控制使探针自激振荡；可对音叉探针的振动信号进行快速高精度的频率解调；系统可对样品的微观形貌进行扫描，分辨率可达纳米级。