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、生物、醫學等基礎研究領域,還在微納制造和微電子等的應用研究領域中發揮著越來越重要的作用。然而,目前商業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,難以實現一些較為復雜的實驗及檢測功能。

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

    基于上述需求,本論文在掃描探針顯微鏡的平臺上,通過設計高精度的移動定位平臺、可長距離移動的多探針裝夾裝置、光學窗口以及系統各部分密封裝置,開發出了一套低成本、高效率、穩定性好的手動式多探針原位檢測系統；在此基礎上,進一步提出了具有更高探針定位精度、高自動化程度、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新點如下：

(1)研制出了一套低成本、高效率、穩定性好的手動式多功能組合探針原位檢測系統。通過設計手動高精度定位平臺、探針支撐結構、光學窗口以及系統綜合密封,實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,設計和加工了手動式多功能組合探針原位檢測系統。

(2)研制了一套簡易的適用于真空長距離、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,選擇了鉑熱電阻傳感器和XMT806型智能PID溫控儀,并通過三線制接法消除由于導線自身電阻產生的溫度測量誤差。該系統適用于中低真空環境,具有結構簡單,測量精準,成本較低等優點。

(3)為實現掃描探針技術-微區拉曼兩種技術的聯用,提出兩種集成拉曼光譜的自動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,并通過探針載動圓盤結合探針夾具設計出探針定位平臺；在此基礎上,進一步給出拉曼物鏡“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摩擦磨損實驗結果的真實性和可信度。相關的研究成果不僅有助于豐富納米摩擦學的基礎理論體系,還有望促進掃描探針技術應用的進一步拓展。