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基于Qplus技术扫描探针显微镜扫描头的研制

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1 绪论

1.1 扫描探针显微镜的发展

1.2 扫描探针显微镜的应用

1.2.1 在表面科学的应用

1.2.2 在生命科学中的应用[3]

1.2.3 在纳米科学与技术领域中的应用

1.2.4 弱力精密测量

1.3基于石英音叉的原子力显微镜的发展

1.4 研究内容

2 扫描探针显微镜的基本原理

2.1 扫描隧道显微镜(STM)基本原理

2.1.1 隧道效应

2.1.2 STM的工作原理

2.2 原子力显微镜(AFM)的基本原理[8]

2.2.1 针尖-样品间的作用力

2.2.2原子力显微镜的工作原理

2.2.3 调频原子力显微镜(FM-AFM)的工作原理

3 SPM扫描头的组装

3.1 自制扫描探针显微镜(SPM)的简介

3.2 Qplus-AFM扫描头

3.2.1扫描头骨架

3.2.2 磁阻尼台

3.2.3 步进马达

3.2.4扫描压电陶瓷管

3.2.5可更换探针台装置

4前置放大器的设计

4.1前置放大器设计的动机

4.2前置放大器电路的设计要求

4.4前置放大器电路图的仿真与实现

4.5前置放大器带宽的展宽

4.6前置放大器的测试

5扫描探针显微镜系统的测试

5.1 STM模式测试

5.2 AFM模式测试

5.3扫描压电陶瓷管的标定

致谢

参考文献

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摘要

自1981年第一台扫描隧道显微镜发明以来,扫描探针显微镜得到了迅速的发展,被广泛的应用在表面科学、生命科学、微纳加工、精密弱力测量等领域。尤其是原子力显微镜,不仅可以应用于导体样品表面的扫描成像,而且可以应用于绝缘体样品表面。除了作为表面分析工具和用于微纳加工外,原子力显微镜还可以进行微弱力信号的精密测量,本实验室正是基于精密测量Casimir力的目的而设计搭建了一套扫描探针显微镜系统。
  本套扫描探针显微镜可以在扫描隧道显微镜模式和原子力显微镜模式工作。本文主要介绍基于Qplus技术的原子力显微镜研制的工作,主要内容包括以下几方面:一、扫描探针显微镜扫描头的设计和组装。本部分主要介绍了如何设计、组装一个能够稳定工作的扫描探针显微镜的扫描头;二、低温超高真空前置放大器的研制。采用电路设计仿真软件Multisim对用于原子力显微镜的低温超高真空前置放大器进行设计与仿真,制作该前置放大器并在室温和液氮温度进行了测试;三、系统性能测试和压电陶瓷管的标定。在STM模式获得了石墨表面的原子分辨图像,在AFM模式获得了石墨样品表面的台阶图。利用STM模式下获得原子分辨图标定了压电扫描管XY方向的电压-位移转换系数,利用石墨原子台阶高度标定了Z方向电压-位移转换系数。

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