原子力显微镜探针针尖形貌盲重构

随着微电子学、材料学、精密机械学、生命科学和生物学等的研究深入到原子尺度,纳米加工工艺要求逐步提高,纳米尺度精密测量和量值传递标准需求越来越大。为此,迫切需要具有计量功能的纳米、亚纳米精度测量系统(包括测量仪器和标定样品等)。原子力显微镜(AFM)是目前最重要、应用最广泛的纳米测量仪器之一,是真正意义上的纳米尺度三维轮廓测量工具,AFM测量精度要求高,达到纳米级甚至是皮米级,对原子力显微镜测量不确定度的研究是纳米测试计量领域热点之一。

AFM图像是探针针尖和样品表面相互作用的结果,针尖形貌不确定度是原子力显微镜测量不确定度的主要来源。因此,有必要对AFM探针针尖形貌进行表征与重构,以提高AFM测量准确度,满足纳米测量精度和量值溯源的需求。本文提出了多种AFM针尖表征样品,并对传统探针形貌进行了评估与重构。所做的主要研究工作包括(1)系统分析原子力显微镜的成像原理及其工作模式；总结AFM测量不确定度的主要来源,其中重点分析探针针尖形貌对AFM成像结果的影响。(2)对已有AFM探针针尖表征样品进行归纳,分析各自的优缺点；详细分析当前典型的AFM针尖表征方法,探讨其中的利与弊,重点分析针尖盲重构算法,并基于MATLAB进行算法实现。(3)采用二次阳极氧化法加工多孔氧化铝模板,并对其进行扫描电子显微镜(SEM)和AFM检测；为减少AFM图像噪声对重构结果的影响和扫描时表征样品对探针针尖造成的损伤,提出采用多孔氧铝模板作为AFM针尖表征样品,并分析表征结果。(4)采用模板合成法加工纳米金柱状阵列结构,分析纳米孔内金柱的形成机制,采用SEM和AFM分析所加工样品表面特征结构；为实现针尖高深宽比表征,提出采用纳米金柱阵列结构盲重构AFM探针形貌。(5)加工双向拉伸聚合物(BOPP)薄膜,采用SEM和AFM对其进行表征；为避免探针表征样品加工难等缺点,实现样品简单普通化,提出基于BOPP薄膜对AFM针尖形貌进行表征,分析此样品的有效性及实用性。