新型多重谐频扫描探针显微镜的探索

作为一场带有革命性的技术变革，轻敲模式扫描探针显微镜正在从表面形貌观察工具，进而发展成为一种材料物性的表征和测量工具。但常规均匀梁自身的频率响应特点，使得蕴含材料物性的高频谐振信号总是被极大地削弱。为解决这一关键力学问题，本研究拟从改变悬臂梁的轴向质量分布的角度，使梁的高阶振型所对应的固有频率恰与针尖-表面力脉冲的高频分量相适应，形成所谓"谐频"悬臂梁，并且有可能进一步实现新型的多重谐频模式，切实有效地充分利用多个高阶振型，同时且有针对性地显著增强放大梁的高频谐振信号。从理论上全面揭示质量分布参数的总体影响规律，建立一种简单、直接因而能够从全局把握的谐频设计方法。并在轻敲模式扫描探针显微镜基础上实现多重谐频扫描这一新型成像测量模式。探寻建立高频谐振分量与材料性质参数之间的关联，在对形貌进行轻敲成像的同时，同步独立地给出基于物性的图像，高速地反映刻划样品材料性质在纳米尺度的空间反差变化特征。

本项目探索实现轻敲模式扫描探针显微镜的谐频扫描的途径方法，本研究提出并建立了一种以附着集中质量块方式调节微悬臂梁探针振动响应特性、实现谐频振动的新方法。附着集中质量块显著改变悬臂梁长轴方向的质量分布，从而有效调节微悬臂梁高阶振型所对应的固有频率，使其恰与针尖－表面力脉冲的高频分量相适应，从而实现谐频扫描，以显著增强放大蕴含材料物性信息的高频谐振分量信号。本研究建立了一种简单、直接因而能够从全局把握的单质量块谐频设计方法，不仅在参数空间中全局性地揭示了集中质量块的谐频参数变化规律，更进一步逐一给出了二重谐频梁的条件参数，从而可通过多重谐频振动，同时利用多个固有振型各自分别增强放大不同的高频谐振分量信号。这一研究对单个集中质量块谐频梁的设计给出了参数空间的全局“向导”图。研究同时表明，增加集中质量块的个数，可能实现更高重谐频振动模式。我们利用附着双集中质量块的微悬臂梁分析，得到其多重谐频参数，可实现高达四重的谐频振动模式，并给出了求解四重谐频参数的高效数值方法。根据多参数非均布质量分布微悬臂梁的谐频参数研究，开展了谐频微悬臂梁的实验制备研究与其振动响应规律的测试。