以扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜(AFM)为代表的扫描探针显微镜(SPM)技术,是纳米技术发展的重要基础.其中AFM由于测量不受样品导电性的限制,具有更加广泛的应用领域.

        随着纳米技术的发展,仪器本身的稳定性、操作的简便性、易维护性等以及应用领域的拓展和产业化也越来越受到人们的关注.本文提出了AFM系统数字化的新思想,对其原理和方法进行了系统的理论研究,在数字式原子力显微镜的研制上取得了一系列的突破,为数字式AFM在国内的普及和产业化奠定了良好的基础.本文在全面分析国内外AFM技术研究和应用现状的基础上,对现有AFM仪器的缺陷和不足作了比较全面的理论分析和实验研究,着重分析AFM的反馈控制规律和探针—样品的进给规律,提出了用数字PID调节器实现AFM系统的反馈控制和样品的进给由步进电机控制丝杠传动机构实现,使AFM仪器的功能、自动化和稳定性在技术上向前迈了一大步,为AFM技术能够更简单、方便、有效地应用到各个科学领域奠定了基础.

工作特点和创新之处主要体现在以下几点:

1、在理论研究的基础上,提出了原子力显微镜数字化的新方法.随着全面数字化时代的到来,数字化扫描探针显微镜的研制也日益提上了进程.

2、设计完成了AFM的数字PID反馈控制系统.

3、设计完成由步进电机控制的AFM自动进给机构及其程序的编写.计算机控制步进电机驱动器输出脉冲信号驱动步进电机转动,从而实现AFM的探针—样品自动逼近,提高了操作的简便性和系统的自动化程度.

4、研究采用了新型的PCI数据采集卡及其软件的编写.提高了AFM系统与不同计算机和不同操作系统的兼容性,为AFM的普及奠定了良好的基础.

5、拓展了AFM的扫描控制软件和图像处理软件功能.如样品图像的三维标尺添加功能、纳米粗糙度线/面测量功能、微位移测量功能等.