● 摘要
原子力显微镜（AFM）是微纳测控常用仪器，能够在多种环境下精确表征样品表面结构与性质。随着材料科学、生物医学等领域的发展，人们对表征技术提出了许多新要求，AFM作为传统表征仪器，不仅需要提高表面结构表征精度，还应充分利用自身优势解决更多表征理论技术问题。为了更好地用AFM表征样品性质，本文对AFM样品表征理论与技术进行了深入的研究，总结了自1986年原子力显微镜问世以来的各种样品表征方法，着重对AFM高次谐波成像技术与样品性质表征方法进行了研究。首先从理论上系统地整理了AFM高次谐波成像的弹性梁模型与弹簧振子模型，研究了探针样品间的基本作用力，掌握了高次谐波信号的基本特点与信号增强理论。随后，根据高次谐波信号特点对单阶高次谐波幅度直接成像、多阶高次谐波信号重建力曲线成像（多次谐波成像）两种高次谐波信号成像方式开展了专题研究。在单阶高次谐波信号成像研究中，详细研究了高次谐波相位信号、幅度信号的成像理论与样品性质表征方法，发现高次谐波相位像能够表征样品能量耗散，高次谐波幅度像能够表征样品表面的弹性性质，随后在实验室商用AFM平台基础上设计了双频激励模块与成像系统，成功的获得了稳定的高次谐波幅度、相位像，并在此基础上开展了基于单阶高次谐波信号的样品性质表征研究，验证了理论结果。在多次谐波信号成像研究中，利用探针几何结构加工技术与多频激励技术解决了普通矩形探针多阶高次谐波信号同时增强的难题，利用NI多功能数据采集卡采集探针振动信号，并用编译的上位机成像控制软件实时处理，获得了高精度的探针样品相互作用力曲线，再通过上位软件分析力曲线获取样品性质参数，进行整个系统的联调，最终成功实现了基于多次谐波成像技术的样品表面性质表征成像功能。