直线式多探针切换装置研制

摘要

原子力显微镜是通过检测被测样品与探针之间的弱相互作用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面形貌和物理化学性质的精密仪器。原子力显微镜已经在纳米摩擦学、表界面科学、材料科学、生命科学等领域发挥了重要作用，推动了纳米科技的发展，是开展微纳尺度下科学研究的关键仪器之一。 环境可控型原子力显微镜是一种可以对样品实验区域进行环境控制的原子力显微镜。目前环境可控型原子力显微镜只能搭载一根功能单一的探针，在设定工作环境下进行单一功能的实验。随着微纳尺度下科学研究的逐步深入，在诸多研究中，需要在真空环境或者同一气氛环境（如氮气、氧气、湿度以及酒精蒸汽等）中，对样品表面同一实验区域原位开展多种不同的探测实验。如摩擦能量耗散测量过程中微观表面形貌和微区拉曼等信息的协同探测、环境敏感材料KDP晶体微观材料去除实验研究等。因此，有必要研发一套多探针切换装置，使环境可控型原子力显微镜能在各种设定的工作环境中开展多种不同的探测实验。 基于上述需求，本论文基于环境可控型原子力显微镜（日本精工公司生产的SPI3800N）设计加工了一套简单快捷、成本低、可靠性高的直线式多探针切换装置。同时，对该装置进行了性能测试，在真空、氮气、酒精蒸汽、湿度等不同工作环境中通过外部驱动装置实现不同功能探针的高效、精确切换，进而在同一工作环境中对样品表面同一实验区域实现原位表面形貌扫描、微观摩擦磨损和摩擦系数测量等功能。在此基础上，运用该装置研究了湿度环境对KDP晶体微观材料去除的影响规律和机理。基于上述研究，本文的主要工作及创新研究成果总结如下： （1）设计、加工并优化直线式多探针切换装置，提出一种适用于该装置的实验方法。 根据现有原子力显微镜结构特点，设计并加工出一种直线式多探针切换装置。装置主体包括手动高精度定位装置、探针组件、真空光窗及密封以及腔体配合。在设计、加工完成后，为达到装置最佳的使用效果，对装置进行了探针夹具和腔体配合的优化，最后提出了适用于该装置的实验方法。 （2）完成了直线式多探针切换装置性能测试。 首先，运用直线式多探针切换装置对标准样品进行形貌扫描，测试了装置的形貌扫描功能；随后，运用直线式多探针切换装置与标准装置（SPI3800N环境可控型原子力显微镜原有装置）进行相同工况下的微观摩擦磨损实验，测试了装置的微观摩擦磨损功能；最后，运用直线式多探针切换装置在不同相对湿度和不同气氛下对单晶硅表面原位进行微观摩擦磨损及表面形貌扫描实验，测试了装置的多探针切换功能，即在各种设定的工作环境中实现不同功能探针的切换，进而对样品表面同一实验区域实现原位表面形貌扫描、微观摩擦磨损和摩擦系数测量等功能。 （3）运用该装置研究了湿度环境对KDP晶体微观材料去除的影响规律和机理。 首先，通过化学机械抛光方法制备了表面粗糙度最低为1.078 nm（10× 10μm2）的KDP晶体。 然后，运用直线式多探针切换装置研究了湿度环境对KDP晶体微观材料去除的影响规律，结果表明：①磨损前湿度环境保持时间对微观材料去除影响较为微弱；②磨损后湿度保持时间对微观材料去除影响剧烈；③随着相对湿度增加（0%～60%），KDP晶体材料去除基本呈线性增加。 在此基础上，揭示了湿度环境对KDP晶体微观材料去除机理。在同一相对湿度环境下，水分子对KDP晶体影响层厚度基本不变；在湿度环境下KDP晶体的微观材料去除主要受到机械以及应力腐蚀的共同作用。随着相对湿度增加，应力腐蚀作用逐渐增大，材料去除量逐渐增大，同时由于应力腐蚀作用的随机性，KDP晶体材料去除区域不均匀性逐渐增加。 相关研究成果对单点金刚石切削的工作环境湿度选择提供了一定的指导意义。结果表明，对KDP晶体粗加工过程可以选择40%～60%高湿度环境，在最后精加工过程中，需要选择20%及以下的低湿度环境。

目录

第一个书签之前