原子力顯微鏡探針針尖形貌盲重構

隨著微電子學、材料學、精密機械學、生命科學和生物學等的研究深入到原子尺度,納米加工工藝要求逐步提高,納米尺度精密測量和量值傳遞標準需求越來越大。為此,迫切需要具有計量功能的納米、亞納米精度測量系統(包括測量儀器和標定樣品等)。原子力顯微鏡(AFM)是目前最重要、應用最廣泛的納米測量儀器之一,是真正意義上的納米尺度三維輪廓測量工具,AFM測量精度要求高,達到納米級甚至是皮米級,對原子力顯微鏡測量不確定度的研究是納米測試計量領域熱點之一。

AFM圖像是探針針尖和樣品表面相互作用的結果,針尖形貌不確定度是原子力顯微鏡測量不確定度的主要來源。因此,有必要對AFM探針針尖形貌進行表征與重構,以提高AFM測量準確度,滿足納米測量精度和量值溯源的需求。本文提出了多種AFM針尖表征樣品,并對傳統探針形貌進行了評估與重構。所做的主要研究工作包括(1)系統分析原子力顯微鏡的成像原理及其工作模式；總結AFM測量不確定度的主要來源,其中重點分析探針針尖形貌對AFM成像結果的影響。(2)對已有AFM探針針尖表征樣品進行歸納,分析各自的優缺點；詳細分析當前典型的AFM針尖表征方法,探討其中的利與弊,重點分析針尖盲重構算法,并基于MATLAB進行算法實現。(3)采用二次陽極氧化法加工多孔氧化鋁模板,并對其進行掃描電子顯微鏡(SEM)和AFM檢測；為減少AFM圖像噪聲對重構結果的影響和掃描時表征樣品對探針針尖造成的損傷,提出采用多孔氧鋁模板作為AFM針尖表征樣品,并分析表征結果。(4)采用模板合成法加工納米金柱狀陣列結構,分析納米孔內金柱的形成機制,采用SEM和AFM分析所加工樣品表面特征結構；為實現針尖高深寬比表征,提出采用納米金柱陣列結構盲重構AFM探針形貌。(5)加工雙向拉伸聚合物(BOPP)薄膜,采用SEM和AFM對其進行表征；為避免探針表征樣品加工難等缺點,實現樣品簡單普通化,提出基于BOPP薄膜對AFM針尖形貌進行表征,分析此樣品的有效性及實用性。