基于双频激励动态调制AFM的高分辨亚表面结构表征系统与方法研究

This project puts forward an atomic force microscopic system and method based on dual-frequency dynamic modulation mode. It combines the ultrasonic stimulation and dynamic AFM to realize the nanoscale characterization of the mechanical properties and sub-surface structures of the micro/nano fabrication surface. The high precision measuring head is designed using the new type tuning fork probe with high Q value, which is integrated into the nano-measuring machine with a high frequency stimulating piezo stage. The dynamic interaction mechanism between the probe and the sample and the ultrasonic wave propagating mechanism are studied. The 3D mechanical model of the probe-sample contact is set up using the finite element analysis method to derive the relationship between the surface elasticity and the sub-surface structure. The signal controlling and processing methods in the frequency difference condition with different configuration are studied. The phase imaging contrast can be improved by the experimental parameters optimization. The parameters of the probe are calibrated with high accuracy to improve quantization accuracy. The realtime processing method of the probe's contact resonant frequency spectroscopy based on DSP is studied to improve the imaging speed. The coupling mechanism between the surface topography and the surface elasticity is studied to realize the valid separation of these two signals. This measuring system can provide the reliable data feedback to the fabrication process research and mechanism analysis of the micro/nano fabrication methods.

本项目提出一种采用双频激励动态调制技术的原子力显微测量系统和新方法，它将超声波激励和动态模式原子力显微术相结合，实现微纳加工表面力学特性和亚表面结构的纳米级表征。采用高Q值新型音叉探针设计高分辨力原子力显微测头，配合高频压电平台激励样品，并集成于纳米测量机上构建测量系统；研究探针－样品间动态作用机理和超声波传播机理，建立探针－样品间接触的三维力学模型，采用有限元仿真方法，研究亚表面结构特征对测量结果的影响，实现表面弹性和亚表面结构之间的转换；研究不同配置差频信号作用下的信号调制与处理方法，优化实验参数，提高相位成像的对比度；研究探针参数精确标定的方法，提高量化精度；研究基于DSP高性能数字电路的探针接触谐振谱的实时处理方法，提高成像速度；研究表面形貌与表面弹性信息之间的耦合机理，实现两种信号的有效分离。该测试系统可以为微纳米加工方法中的工艺研究和加工机理分析提供可靠的数据反馈。

本项目提出了一种采用双频激励动态调制技术的原子力显微测量系统和方法，它将超声波激励和动态模式原子力显微术相结合，实现了微纳加工表面力学特性和亚表面结构的纳米级表征，可以为微纳米加工方法中的工艺研究和加工机理分析提供可靠的数据反馈。. 项目研究了新型音叉探针调幅、调频模式的实现方法，设计并搭建了基于该新型音叉的双模原子力显微测试系统，确定了测量参数；理论分析并实验验证了激励电压对探针谐振频率的影响，确定了激励电压的选择范围，结合优化一阶二阶幅值比，最终确定了一阶和二阶信号的激励电压；根据探针响应时间确定了扫描速度。研究了测试系统中寄生电容的形成原因、影响及减弱其影响的方法；测量了环境温度对探针谐振频率和品质因数的影响。分析并选择了形貌成像的最佳工作模式；测试了四种工作模式的成像能力，证明最佳工作模式为能实现耗散功率定量分析的调幅-开环幅值信号模式。建立了具有机电耦合和机械耦合的探针多级耦合模型，提出了测量耦合参数的意义和方法；推导了输出电信号的一阶和二阶谐振频率与针尖样品间等效力梯度的关系，说明了一阶谐振频率对针尖样品间接触具有高灵敏度而二阶谐振频率灵敏度很低的特点，建立了该探针的有限元仿真模型并对多级耦合模型进行了验证。以二阶开环幅值信号替代传统的相位信号对针尖样品间耗散功率进行了定量分析，避免了相位正弦值的非单调性及参数测量的复杂性等问题，通过对特定样品进行多次测量，验证了该方法的可行性。. 项目已发表学术论文6篇，获得发明专利1项，软件著作权1项，培养2名博士研究生和3名硕士研究生。