掃描探針顯微鏡是目前一(yi)種(zhong)用(yong)(yong)途(tu)廣(guang)泛的表面分析儀器(qi),它不(bu)僅廣(guang)泛應用(yong)(yong)于物理(li)、化學、生物、醫學等(deng)基礎研究領域,還在微納制造和(he)微電子等(deng)的應用(yong)(yong)研究領域中(zhong)發揮著越(yue)來越(yue)重要的作用(yong)(yong)。然而(er),目(mu)前(qian)商業(ye)化的(de)掃描探針顯(xian)微(wei)鏡主要為單一(yi)探針的(de)工作模式(shi),其(qi)功能相對單一(yi),難以實現(xian)一(yi)些較(jiao)為復雜(za)的(de)實驗及檢測(ce)功能。

    例如,在(zai)特殊環(huan)境下(xia)(如真(zhen)空或(huo)輻射環(huan)境)的(de)(de)(de)微(wei)觀(guan)磨(mo)損(sun)實(shi)(shi)驗(yan)中,若采(cai)用(yong)單一探(tan)針模(mo)式(shi),在(zai)完成磨(mo)損(sun)實(shi)(shi)驗(yan)后,需(xu)要(yao)更(geng)(geng)(geng)換曲(qu)率半徑更(geng)(geng)(geng)小(xiao)的(de)(de)(de)針尖才能對表面磨(mo)損(sun)區(qu)域進行原位的(de)(de)(de)高(gao)分辨(bian)形貌掃(sao)描(miao)與(yu)觀(guan)測(ce)。然(ran)而,在(zai)更(geng)(geng)(geng)換針尖的(de)(de)(de)過程中,微(wei)觀(guan)磨(mo)損(sun)的(de)(de)(de)實(shi)(shi)驗(yan)環(huan)境勢必(bi)會(hui)遭到(dao)破壞,使試(shi)樣暴露在(zai)大氣(qi)中,由此引發的(de)(de)(de)氧化、電(dian)化學作用(yong)、表面污染等(deng)將可能造成試(shi)驗(yan)結果偏離真(zhen)實(shi)(shi),不(bu)(bu)利于對實(shi)(shi)驗(yan)結果的(de)(de)(de)科學分析。因此,亟需(xu)研發可用(yong)于原位實(shi)(shi)驗(yan)和觀(guan)測(ce)的(de)(de)(de)掃(sao)描(miao)探(tan)針顯微(wei)鏡多(duo)探(tan)針原位檢測(ce)系(xi)統,實(shi)(shi)現不(bu)(bu)同(tong)功能探(tan)針的(de)(de)(de)協(xie)同(tong)檢測(ce)與(yu)分析。

    基于(yu)上(shang)述需求,本(ben)(ben)論文在(zai)掃描探針(zhen)(zhen)(zhen)顯微鏡(jing)的(de)平臺上(shang),通過(guo)設(she)計高精度(du)的(de)移(yi)(yi)動(dong)定位(wei)(wei)平臺、可長距離移(yi)(yi)動(dong)的(de)多探針(zhen)(zhen)(zhen)裝(zhuang)夾(jia)裝(zhuang)置、光(guang)學(xue)窗口以及系(xi)統各部分密封裝(zhuang)置,開發(fa)出(chu)了一(yi)套低成(cheng)本(ben)(ben)、高效(xiao)率、穩定性好的(de)手動(dong)式多探針(zhen)(zhen)(zhen)原位(wei)(wei)檢測系(xi)統；在(zai)此基礎上(shang),進一(yi)步(bu)提(ti)出(chu)了具有更高探針(zhen)(zhen)(zhen)定位(wei)(wei)精度(du)、高自動(dong)化程度(du)、集成(cheng)拉曼(man)光(guang)譜的(de)多功能組合(he)探針(zhen)(zhen)(zhen)系(xi)統結(jie)構(gou)的(de)設(she)計方案。

基于上述研究,本文(wen)的主要工(gong)作及創新點(dian)如(ru)下：

(1)研制(zhi)出了一套低成本、高(gao)效(xiao)率(lv)、穩定性好(hao)的(de)手(shou)動(dong)式多(duo)(duo)功能(neng)(neng)組合(he)探(tan)(tan)針(zhen)原位檢測系統(tong)。通(tong)過設計(ji)手(shou)動(dong)高(gao)精(jing)度(du)定位平(ping)臺、探(tan)(tan)針(zhen)支撐結(jie)構、光學窗口(kou)以及系統(tong)綜合(he)密封,實現了多(duo)(duo)功能(neng)(neng)組合(he)探(tan)(tan)針(zhen)系統(tong)與(yu)掃描探(tan)(tan)針(zhen)顯(xian)微鏡(jing)的(de)有效(xiao)匹配；在此(ci)基(ji)礎上(shang),設計(ji)和加(jia)工了手(shou)動(dong)式多(duo)(duo)功能(neng)(neng)組合(he)探(tan)(tan)針(zhen)原位檢測系統(tong)。

(2)研制(zhi)了一套簡易(yi)的(de)(de)適用(yong)(yong)于(yu)真空(kong)長距離(li)、復雜結(jie)構、大溫差跨度(du)的(de)(de)溫度(du)測(ce)量系統。針對SPI3800N掃描探(tan)針顯微鏡真空(kong)腔體結(jie)構特點(dian),選擇了鉑熱電(dian)阻傳感器和XMT806型智能PID溫控儀,并通過三線制(zhi)接法消除由(you)于(yu)導線自(zi)身電(dian)阻產生的(de)(de)溫度(du)測(ce)量誤差。該系統適用(yong)(yong)于(yu)中低(di)真空(kong)環境(jing),具有(you)結(jie)構簡單,測(ce)量精(jing)準,成(cheng)本較低(di)等優點(dian)。

(3)為(wei)實(shi)(shi)現(xian)掃描(miao)探(tan)(tan)針(zhen)(zhen)技術-微區(qu)拉(la)曼(man)兩(liang)種(zhong)(zhong)技術的(de)聯用,提(ti)出兩(liang)種(zhong)(zhong)集成(cheng)(cheng)拉(la)曼(man)光譜的(de)自(zi)動(dong)式(shi)多功能(neng)組(zu)合(he)(he)探(tan)(tan)針(zhen)(zhen)系(xi)統初步結(jie)構設計(ji)方案。根據設備的(de)工作要求,選擇合(he)(he)適的(de)壓電定(ding)位器(qi),并通過探(tan)(tan)針(zhen)(zhen)載動(dong)圓盤結(jie)合(he)(he)探(tan)(tan)針(zhen)(zhen)夾具設計(ji)出探(tan)(tan)針(zhen)(zhen)定(ding)位平臺；在此基(ji)礎上(shang),進(jin)(jin)一(yi)步給(gei)出拉(la)曼(man)物鏡“外置(zhi)式(shi)”和“內置(zhi)式(shi)”兩(liang)種(zhong)(zhong)多功能(neng)組(zu)合(he)(he)探(tan)(tan)針(zhen)(zhen)系(xi)統的(de)設計(ji)方案。以上(shang)設備的(de)研制(zhi),將有利(li)于增(zeng)強特定(ding)測試工況下(xia)微觀(guan)摩擦磨損實(shi)(shi)驗(yan)結(jie)果的(de)真(zhen)實(shi)(shi)性和可信度(du)。相(xiang)關的(de)研究成(cheng)(cheng)果不(bu)僅有助(zhu)于豐富納米摩擦學的(de)基(ji)礎理(li)論體系(xi),還有望促進(jin)(jin)掃描(miao)探(tan)(tan)針(zhen)(zhen)技術應用的(de)進(jin)(jin)一(yi)步拓展(zhan)。