题目：基于双扫描的高速原子力显微镜的研制

随着纳米科技的飞速发展，原子力显微镜（AFM）广泛应用于纳米材料、电子、半导体、生物等许多领域的研究。原子力显微镜有原子级别的空间分辨率，可在大气、液相以及真空环境中工作，并且对样品的限制小。但是，与其它显微分析技术相比，原子力显微镜的时间分辨率很低。如果把原子力显微镜的成像时间缩短至毫秒量级，其将在晶体结晶、成核、生物动态过程等研究方向有非常大的应用前景。另外，原子力显微镜的扫描速度一直成为限制其实现工业现场测量和纳米加工实用化的瓶颈之一。 原子力显微镜的成像速度主要依赖于系统各个部分的带宽，其中，主要瓶颈为扫描器和用于检测针尖样品作用力的微悬臂探针。作者发明了采用共振扫描方式的双压电片一维高速扫描器，并与传统的压电陶瓷管扫描器结合，显著地提高了原子力显微镜的扫描速度，使最高行扫描频率达到3kHz，比目前商用原子力显微镜提高2-3个数量级，针尖样品速度最快达到200mm/s；研究了共振扫描时的图像实时校正问题，设计了相位补偿和非线性校正快速算法；对高速原子力显微镜的微悬臂探针的要求进行了分析，选用了商用的高速探针，并采用非球差透镜改进光杠杆系统，把激光聚焦光斑直径从100µm左右减小到20µm，以适应高频小探针的应用；研究了探测头中模拟信号处理电路的带宽，选用合适的模拟器件，满足高速原子力显微镜的信号传输和处理；基于NI的S6115多功能高速采集卡实现高速AFM的扫描信号发生和数据采集系统；改造电路系统实现高速扫描时Y方向的倾斜补偿；基于Labivew平台设计了高速原子力显微镜的控制软件，包括扫频、扫描控制、数据采集与处理、图像显示、数据存储与读取等功能。最终实现了视频成像速度的高速原子力显微镜系统。系统工作在接触模式下的恒高模式，成像速度达到25帧/秒，成像时间缩短至40ms，扫描范围大于20µm×20µm，具有在纳米尺度上观测样品毫秒量级的动态过程的能力。 另外，作者还进行了传统的原子力显微镜的改进和应用研究。一方面，基于平板扫描器实现了计算机控制的微动平台；另一方面，实用商用的原子力显微镜对新型电致变色功能薄膜进行了表征和研究。