掃描探針顯微鏡多功能組合探針系統研制

       掃描探針顯微鏡是目前一種用途廣泛的表面分析儀器,它不僅廣泛應用于物理、化學(xué)、生物、醫學(xué)等基礎研究領(lǐng)域,還在微納制造和微電子等的應用研究領(lǐng)域中發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。然而,目前商業(yè)化的掃描探針顯微鏡主要為單一探針的工作模式,其功能相對單一,難以實(shí)現一些較為復雜的實(shí)驗及檢測功能。

    例如,在特殊環(huán)境下(如真空或輻射環(huán)境)的微觀(guān)磨損實(shí)驗中,若采用單一探針模式,在完成磨損實(shí)驗后,需要更換曲率半徑更小的針尖才能對表面磨損區域進(jìn)行原位的高分辨形貌掃描與觀(guān)測。然而,在更換針尖的過(guò)程中,微觀(guān)磨損的實(shí)驗環(huán)境勢必會(huì )遭到破壞,使試樣暴露在大氣中,由此引發(fā)的氧化、電化學(xué)作用、表面污染等將可能造成試驗結果偏離真實(shí),不利于對實(shí)驗結果的科學(xué)分析。因此,亟需研發(fā)可用于原位實(shí)驗和觀(guān)測的掃描探針顯微鏡多探針原位檢測系統,實(shí)現不同功能探針的協(xié)同檢測與分析。

    基于上述需求,本論文在掃描探針顯微鏡的平臺上,通過(guò)設計高精度的移動(dòng)定位平臺、可長(cháng)距離移動(dòng)的多探針裝夾裝置、光學(xué)窗口以及系統各部分密封裝置,開(kāi)發(fā)出了一套低成本、高效率、穩定性好的手動(dòng)式多探針原位檢測系統；在此基礎上,進(jìn)一步提出了具有更高探針定位精度、高自動(dòng)化程度、集成拉曼光譜的多功能組合探針系統結構的設計方案。

基于上述研究,本文的主要工作及創(chuàng )新點(diǎn)如下：

(1)研制出了一套低成本、高效率、穩定性好的手動(dòng)式多功能組合探針原位檢測系統。通過(guò)設計手動(dòng)高精度定位平臺、探針支撐結構、光學(xué)窗口以及系統綜合密封,實(shí)現了多功能組合探針系統與掃描探針顯微鏡的有效匹配；在此基礎上,設計和加工了手動(dòng)式多功能組合探針原位檢測系統。

(2)研制了一套簡(jiǎn)易的適用于真空長(cháng)距離、復雜結構、大溫差跨度的溫度測量系統。針對SPI3800N掃描探針顯微鏡真空腔體結構特點(diǎn),選擇了鉑熱電阻傳感器和XMT806型智能PID溫控儀,并通過(guò)三線(xiàn)制接法消除由于導線(xiàn)自身電阻產(chǎn)生的溫度測量誤差。該系統適用于中低真空環(huán)境,具有結構簡(jiǎn)單,測量精準,成本較低等優(yōu)點(diǎn)。

(3)為實(shí)現掃描探針技術(shù)-微區拉曼兩種技術(shù)的聯(lián)用,提出兩種集成拉曼光譜的自動(dòng)式多功能組合探針系統初步結構設計方案。根據設備的工作要求,選擇合適的壓電定位器,并通過(guò)探針載動(dòng)圓盤(pán)結合探針夾具設計出探針定位平臺；在此基礎上,進(jìn)一步給出拉曼物鏡“外置式”和“內置式”兩種多功能組合探針系統的設計方案。以上設備的研制,將有利于增強特定測試工況下微觀(guān)摩擦磨損實(shí)驗結果的真實(shí)性和可信度。相關(guān)的研究成果不僅有助于豐富納米摩擦學(xué)的基礎理論體系,還有望促進(jìn)掃描探針技術(shù)應用的進(jìn)一步拓展。