原子力显微镜非接触式谐振扫描高速成像方法与技术研究

高速原子力显微镜是观测与研究生物分子结构变异、转移、复制等动态过程，以及分子间动态交互作用的必要设备。本课题的研究旨在提供理论基础和方法，指导新型高速原子力显微镜的设计，在提高当前高速原子力显微镜成像速率同时，降低干扰样品动态特性的探针与样品间的交互作用力。提出了基于近场超声激励，实现液体环境下非接触扫描成像的方法；研究超声振动探针与样品表面近场超声波的耦合机制，建立辨识来自基底并穿过样品内部和来自样品台整体振动的两种近场超声波的方法，并根据探针和后者的耦合信号，来控制探针与样品间距离，实现非接触式高速扫描。提出了基于谐振扫描的高速成像方法，研究扫描器的驱动和控制方法，设计可变频谐振扫描器，实现扫描成像速率的可调与可控。在充分研究相关理论和方法的基础上，建立基于近场超声激励的非接触式谐振高速原子力显微镜实验系统，并通过实验验证设计理论、方法和系统的有效性。

原子力显微镜是观测与研究生物细胞、分子结构及其动态变化过程的必要设备。本课题的研究旨在提供理论基础和方法，指导高速原子力显微镜的设计，在提高当前高速原子力显微镜成像速率同时，降低干扰样品动态特性的探针与样品间的交互作用力。在充分研究相关理论和方法的基础上，建立了高速原子力显微镜实验系统，并通过实验验证设计理论、方法和系统的有效性。主要研究内容以及取得的研究成果包括：. 首先，（1）根据设计参数要求和应用环境，对高速扫描器的结构类型及原理进行分析研究，确定新型扫描定位器的结构类型和原理；根据所提出的扫描器结果原理，通过有限元分析，确定扫描器的结构参数，并进行优化设计。（2）根据扫描器自身结构特点和原理，设计相应的实验系统方案，并构建了包括压电陶瓷驱动电源、传感器、微动台选配和控制系统等的实验系统。（3）对压电陶瓷高速扫描器的迟滞、蠕变等非线性以及高速扫描时的振动和噪声干扰进行了识别和建模，并对压电陶瓷驱动器的迟滞特性进行了补偿。（4）根据所得压电扫描器的实验测试结果，进一步优化论证系统设计和控制方法。.然后，（1）建立了以石英振子为扫描探针的高速AFM扫描系统。（2）对不同型号的石英振子进行了分析，计算了动态谐振振幅和有效刚度，结果证明，相比传统的AFM探针，所采用的石英振子具有很高的谐振频率和品质因子，更加符合高速扫描的参数要求。（3）实验验证采用石英振子为扫描探针的扫描速率达到32线/秒，比传统的扫描速率提高了10倍以上。（4）作为图像传感器，集成石英振子探针于双探针AFM系统中，以传统AFM探针为操作器，通过协调控制，成功实现了高速图像扫描反馈控制下的纳米操作/成像并行执行。. 最后，（1）优化原子力显微镜系统，针对液体扫描环境，设计并制备基于石英晶振的AFM扫描探针。（2）采用模拟和数值分析计算探针针尖与液体的耦合作用，获得探针浸入深度与石英晶振相移（频移）之间的变化关系，优化探针结构，同时为实验获取理论指导。（3）实验验证石英晶振在细胞培养液中对生物活细胞扫描成像。另外，采用石英振子探针，研究了三维原子力显微，实现纳米结构三维扫描成像，并可实现包括侧壁粗糙度、侧壁角度、线宽、线宽粗糙度等微纳米结构的关键尺寸的测量。