火星环境原位测量原子力显微镜主体设计及成像技术研究

admin · 发表于 2022-8-22 13:37:31

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太空环境原位测量技术的优点在于测量本身不会或较少影响被测样品的物理化学性质，对于人类真实、完整、准确地了解太空物质及其性质具有重要意义。研制具有太空环境原位测量能力的原子力显微镜可为我国深空探测提供有效载荷储备，为深空环境微纳尺度显微分析提供有力的工具。本文开展了火星环境原位测量原子力显微镜样机研制及其成像技术研究。主要的工作包括以下几个方面：（1）研制样机的机械结构并结合实验室研制的反馈控制器完成样机系统集成。采用石英音叉探针作为力传感器，探头设计采用探针扫描方式，保证了样机的自主操作能力。研制的探头具有体积小、重量轻的特点，探头重量450g，满足样机指标要求。与实验室研制的原子力显微镜控制器集成后构成了火星环境原位测量原子力显微镜样机系统。通过必要的性能测试实验证明探头结构具有较好的稳定性，能够满足纳米级分辨率成像需要。（2）针对双臂石英音叉的机械特性提出了一种机械模型，并给出了模型参数的计算方法。该模型较以往的弹簧振子模型更为准确的描述了石英音叉探针受到来自样品作用力与其振动状态的变化之间的定量关系。对实验中使用的石英音叉进行电学参数标定以及压电耦合常数的标定，从而建立起了石英音叉探针受力、振动状态变化到最终的输出电流信号变化之间的定量分析方法。（3）实现了基于石英音叉探针的幅度调制模式原子力显微镜的探针样品间距控制技术，包括石英音叉探针的制备、探针振动信号的检测以及探针的品质因数控制技术，最终实现了稳定可靠的幅度调制成像技术。其中探针振动信号检测技术对探针振幅的检测灵敏度达到了2.2pm。应用尖端曲率半径约30nm的探针可以得到约30nm的空间分辨率，进一步减小针尖曲率半径有望得到更高的空间分辨率。（4）设计并实现了基于石英音叉探针的自激励、数字解调的频率调制模式原子力显微镜成像技术，包括石英音叉探针的自激励和探针振动信号的全数字解调技术，最终实现了稳定可靠的频率调制成像技术。其中数字解调技术达到了10mHz的频率解调精度，解调带宽约为200Hz。开展了频率调制模式成像实验，从得到的图像分析，成像分辨率达到了35nm。（5）建立了一套模拟火星低真空环境的装置，气压最低可达到2Pa以下。将原子力显微镜探头部分置于真空腔体中，控制腔内气压保持在约800Pa，分别应用幅度调成像技术和频率调制成像技术对灰尘颗粒样品实现了形貌成像。成像过程通过软件流程设置实现了样机自主操作。证明了所研制的样机具有低真空环境下自主成像的能力。

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