原子力显微镜高次谐波/多频激励成像方法与技术研究

原子力显微镜高次谐波成像技术和多频激励成像技术是近几年国际上发展起来的前沿技术，在提高原子力显微镜空间分辨率的同时，可获得样品表面的多种信息，如弹性、黏性和表面能等，即可对材料表面纳米尺度力学特性成像,区分样品表面微观物理性质差异。本项目将结合实验室现有原子力显微镜，研制高次谐波信号提取与处理、多频率激励等功能模块，开展系统集成研究，实现原子力显微镜高次谐波成像功能和多频激励成像功能；利用有限元等计算手段与聚焦离子束纳米加工技术相结合的方法，研究微悬臂探针形状对探针各振动模式的频率、品质因数等参量的影响，改进微悬臂探针特性，提高高次谐波成像质量；研究不同材料样品与探针相互作用特性，开展复合材料等的应用研究。最终形成具有自主知识产权的原子力显微镜高次谐波/多频激励成像技术。

原子力显微镜高次谐波成像技术和多频激励成像技术是近几年国际上发展起来的前沿技术。在提高原子力显微镜空间分辨率的同时，可对材料表面纳米尺度力学特性成像，区分样品表面微观物理性质差异。. 本项目在实验室现有原子力显微镜基础上，利用锁相检测、高速数据采集等技术，并结合傅立叶分析算法，研制了高次谐波信号提取与处理系统，实现了原子力显微镜高次谐波成像功能；为提高高次谐波信号的强度与信噪比，开展了微悬臂探针运动特性研究，研制了多频激励功能模块，进行了系统集成和联调，实现了多频激励成像功能；完成了可以稳定工作的高次谐波/多频激励成像系统的研制。利用有限元等数值计算手段，研究微悬臂探针形状对振动模式的影响，优化了微悬臂探针设计，为微悬臂探针加工提供了理论依据；利用聚焦离子束纳米加工系统，对微悬臂探针进行了纳米级的加工，通过改变微悬臂探针的形状等调整微悬臂探针特性，实现微悬臂探针性能优化，增强高次谐波分量强度。开展了探针与样品间距对高次谐波信号影响的研究，获得了对于不同扫描样品最合适的探针振动幅度、针尖与样品的间距等参数，并在多种样品上验证了谐波成像的稳定性。利用原子力显微镜高次谐波/多频激励成像系统对石墨烯、PS-PEO二嵌段共聚化合物等复合材料的性能进行了研究。. 在原子力显微镜高次谐波/多频激励成像的实验技术研究、微悬臂探针优化及谐波信息增强的理论与实验研究、原子力显微镜高次谐波/多频激励成像技术的应用研究及相关扩展探索研究方面均取得了研究成果，申请/获授权国家发明专利6项，发表期刊论文9篇，形成了具有核心知识产权的原子力显微镜高次谐波/多频激励成像技术。