超聲原子力顯微鏡的亞表面成像機制分析.pdf

1、亞表面納米成像技術(shù)在生物亞細胞現(xiàn)象觀測、微納器件缺陷檢測、納米復(fù)合材料表征等領(lǐng)域有迫切需求。結(jié)合超聲振動調(diào)制的原子力顯微術(shù)可實現(xiàn)樣品內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)的超高分辨率、非破壞性檢測，具有良好的應(yīng)用潛力。然而，目前采用超聲原子力顯微鏡的亞表面納米成像多為內(nèi)部結(jié)構(gòu)的定性檢測，而缺乏成像影響因素的系統(tǒng)分析以及檢測能力的定量表征方法。針對基于超聲原子力顯微鏡亞表面成像機制尚未十分清楚的現(xiàn)狀，本文分別從理論及實驗方面進行研究，以明確檢測振動信號與亞表面結(jié)構(gòu)

2、特性和眾多關(guān)鍵影響因素的關(guān)聯(lián)，為后續(xù)定量化亞表面分析應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　在理論分析方面，亞表面納米結(jié)構(gòu)會引起原子力顯微鏡針尖和樣品接觸作用的變化，從而致使探針的超聲振動響應(yīng)信號產(chǎn)生改變，因此探針振動信號如振幅/相位/頻率等蘊含豐富的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性信息?；诖怂悸?，我們建立了超聲原子力顯微鏡成像的力學(xué)模型。該模型主要包括懸臂梁非線性振動分析模型和針尖與樣品間接觸作用模型。其中，懸臂梁的非線性振動理論模型按照與實際實驗設(shè)置相比的簡化程度

3、，對比分析了簡單模型、針尖位置模型、不帶針尖位置的橫向力模型和帶針尖位置的橫向力模型等四種模型，闡明了各自的適用場合。隨后，在理論得出的振動響應(yīng)和接觸剛度規(guī)律關(guān)系基礎(chǔ)上，探討了成像參數(shù)如法向力、振動模態(tài)及針尖半徑等關(guān)鍵因素對亞表面檢測中局域彈性模量的分辨率及靈敏度的影響。
　　為進一步揭示理論分析得出的針尖/樣品間接觸剛度與內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)特性間的關(guān)聯(lián)，我們采用有限元方法對典型內(nèi)含氣泡或球形顆粒的亞表面結(jié)構(gòu)檢測進行了仿真計算。首先，在

4、樣品特性參數(shù)方面，系統(tǒng)研究了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸、掩埋深度、彈性模量及相鄰結(jié)構(gòu)間的耦合等對等效接觸剛度的影響。然后，為優(yōu)化選擇亞表面成像參數(shù)，分析了法向作用力、針尖位置、檢測光點位置對成像襯度及接觸共振頻率的影響。
　　在實驗方面，為對比不同的探針或樣品激勵方式對亞表面成像的影響，搭建了結(jié)合樣品超聲激勵的原子力聲學(xué)顯微鏡、探針超聲激勵的超聲原子力顯微鏡、探針和樣品同時超聲激勵的差頻力顯微鏡多模式自由切換的實驗平臺。我們以高定向熱解石墨樣