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在生物亞細胞現象觀測、微納器件缺陷檢測、納米復合材料表征等領域有迫切需求。結合超聲振動調制的原子力顯微術可實現樣品內部納米結構的超高分辨率、非破壞性檢測，具有良好的應用潛力。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部結構的定性檢測，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構

2、特性和眾多關鍵影響因素的關聯(lián)，為后續(xù)定量化亞表面分析應用奠定基礎。
　　在理論分析方面，亞表面納米結構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信號產生改變，因此探針振動信號如振幅/相位/頻率等蘊含豐富的內部結構特性信息?；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和接觸剛度規(guī)律關系基礎上，探討了成像參數如法向力、振動模態(tài)及針尖半徑等關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部納米結構特性間的關聯(lián)，我們采用有限元方法對典型內含氣泡或球形顆粒的亞表面結構檢測進行了仿真計算。首先，在

4、樣品特性參數方面，系統(tǒng)研究了內部結構的尺寸、掩埋深度、彈性模量及相鄰結構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，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，搭建了結合樣品超聲激勵的原子力聲學顯微鏡、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