原子力显微镜形貌测量的湿度影响及其机理研究

When the sample topography is measured by the atomic force microscope (AFM), the tip-sample interaction due to the factor of sample or non sample factors will induce deviation of sample topography. Furthermore, it will cause image distortion or artifacts. A typical non sample factor is the relative humidity in ambient condition. Capillary force will be the primary interaction when the liquid bridge forms between the tip and sample. Therefore, this project will investigate the effects of humidity on topography measurement of AFM and its mechanisms by experiments, theoretical and numerical analysis. Because the contacting time of the tip and sample is much shorter in AFM tapping mode, firstly we get the force curves in high frequency vibration of AFM cantilever by a new experimental method. Then the capillary force and rupture energy of the liquid bridge are introduced into the system of tip, cantilever and sample, the theoretical oscillate model of tapping AFM will be established. The mechanism of topography measurement errors will be quantitative analyzed after the effect of liquid bridge on the amplitude and phase of the whole system. Lastly the samples with different topology surface will be designed to verify the variation of topography in different humidity.

原子力显微镜测量样品表面形貌时，样品因素或者非样品因素引起的针尖与样品间相互作用力变化，使得形貌测量结果产生偏差，从而引起图像失真或赝像。一个典型的非样品因素就是大气环境下，湿度在探针与样品间诱导形成的微纳米液桥产生的毛细力。基于此，本项目将通过实验研究大气湿度对原子力显微镜测量形貌的影响，并通过理论分析与数值计算研究其影响机理。由于原子力显微镜轻敲模式下探针与样品接触时间较短，项目组首先建立一种实验方法以得到探针高频振动下的力曲线；在获取液桥毛细力和断裂能后，将液桥引入探针、微悬臂梁和样品系统，建立轻敲模式下的振动理论模型，分析液桥对整个系统的振幅与相位的影响，从而定量分析形貌测量误差的形成机理。最后，项目将进一步制备具有不同拓扑结构的样品表面，来验证在不同的湿度环境下形貌的变化。

本项目的研究主要分三个部分：.（1）液桥生成和断裂动力学过程的研究。首先在理论上对该问题进行进一步的分析研究，由于主要关注微秒量级接触问题，这里要对液桥形成的三个机理进行特征时间计算。关于液桥动力学的实验部分，采用了扫频实验的方法。液桥是引起大气环境下原子力显微镜（AFM）图像失真的重要原因，同时也是大气环境下黏着力的主要成分。研究液桥对于成像机理和样品特性的理解有重要意义。.（2）环境湿度对AFM扫描形貌的影响。理论方面：在毛细力与探针样品间距离关系、断裂能与相对湿度、接触角之间的关系的基础上，将液桥引入振动系统，应用振动理论，求得给定激励，保持恒定振幅下，探针样品高度、相位变化。实验方面：制备接触角有梯度分布的样品表面，改变环境相对湿度，扫描各湿度下高度、相位图像，与上述理论分析进行对比。.（3）压膜阻尼对原子力显微镜振动特性的影响研究。 AFM在轻敲模式下工作时，随着探针针尖与样品距离的逐渐减小，空气压膜阻尼的作用随之增大。为研究压膜阻尼对原子力显微镜振动系统的影响，分别使用无针尖探针和微球针尖探针进行扫频实验，并基于振动理论将该过程简化，得到了两种不同的振动模型的系统刚度。在考虑压膜阻尼作用影响后，将微球针尖振动系统模型进一步简化为一维振子模型，并对压膜阻尼的影响进行讨论。实验表明空气压膜阻尼模型对于探针样品在微尺度下的作用过程是准确合理的。该结果对原子力显微镜轻敲模式研究具有重要意义。