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(yīng)用于物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域,還在微納制造和微電子等的應(yīng)用研究領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。然而,目前商業(yè)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(shí)現(xiàn)一些較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)及檢測功能。

    例如,在特殊環(huán)境下(如真空或輻射環(huán)境)的微觀磨損實(shí)驗(yàn)中,若采用單一探針模式,在完成磨損實(shí)驗(yàn)后,需要更換曲率半徑更小的針尖才能對表面磨損區(qū)域進(jìn)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(shí)驗(yàn)環(huán)境勢必會(huì)遭到破壞,使試樣暴露在大氣中,由此引發(fā)的氧化、電化學(xué)作用、表面污染等將可能造成試驗(yàn)結(jié)果偏離真實(shí),不利于對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)分析。因此,亟需研發(fā)可用于原位實(shí)驗(yàn)和觀測的掃描探針顯微鏡多探針原位檢測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)不同功能探針的協(xié)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(tái)上,通過設(shè)計(jì)高精度的移動(dòng)定位平臺(tái)、可長距離移動(dòng)的多探針裝夾裝置、光學(xué)窗口以及系統(tǒng)各部分密封裝置,開發(fā)出了一套低成本、高效率、穩(wěn)定性好的手動(dòng)式多探針原位檢測系統(tǒng)；在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出了具有更高探針定位精度、高自動(dòng)化程度、集成拉曼光譜的多功能組合探針系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。

基于上述研究,本文的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下：

(1)研制出了一套低成本、高效率、穩(wěn)定性好的手動(dòng)式多功能組合探針原位檢測系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)手動(dòng)高精度定位平臺(tái)、探針支撐結(jié)構(gòu)、光學(xué)窗口以及系統(tǒng)綜合密封,實(shí)現(xiàn)了多功能組合探針系統(tǒng)與掃描探針顯微鏡的有效匹配；在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)和加工了手動(dòng)式多功能組合探針原位檢測系統(tǒng)。

(2)研制了一套簡易的適用于真空長距離、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、大溫差跨度的溫度測量系統(tǒng)。針對SPI3800N掃描探針顯微鏡真空腔體結(jié)構(gòu)特點(diǎn),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(dǎo)線自身電阻產(chǎn)生的溫度測量誤差。該系統(tǒng)適用于中低真空環(huán)境,具有結(jié)構(gòu)簡單,測量精準(zhǔn),成本較低等優(yōu)點(diǎn)。

(3)為實(shí)現(xiàn)掃描探針技術(shù)-微區(qū)拉曼兩種技術(shù)的聯(lián)用,提出兩種集成拉曼光譜的自動(dòng)式多功能組合探針系統(tǒng)初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)設(shè)備的工作要求,選擇合適的壓電定位器,并通過探針載動(dòng)圓盤結(jié)合探針夾具設(shè)計(jì)出探針定位平臺(tái)；在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步給出拉曼物鏡“外置式”和“內(nèi)置式”兩種多功能組合探針系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。以上設(shè)備的研制,將有利于增強(qiáng)特定測試工況下微觀摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性和可信度。相關(guān)的研究成果不僅有助于豐富納米摩擦學(xué)的基礎(chǔ)理論體系,還有望促進(jìn)掃描探針技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)一步拓展。