1、隨著納米科技的飛速發(fā)展，迫切要求開發(fā)能夠描述樣品表面及內(nèi)部納米材料物理特性的新方法和新技術。傳統(tǒng)基于光學、聲學原理的三維成像技術由于受衍射分辨極限的限制，分辨率較低。對掃描電子顯微鏡（Scanning ElectronMicroscope，簡稱SEM）和透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope，簡稱TEM)而言，若要對樣品內(nèi)部結構進行檢測則通常需破壞性的樣品處理以及復雜的三維結構重建，同時苛刻的真

2、空環(huán)境要求也限制了該類技術的廣泛應用。掃描探針顯微技術(SPM)具備納米甚至原子量級的實空間分辨能力，但傳統(tǒng)的SPM技術僅能對樣品表面特性進行觀測，而無法得到內(nèi)部結構信息。
　　 將原子力顯微鏡(AFM)技術和聲檢測技術相結合的聲原子力顯微鏡技術（Acoustic Atomic Force Microscopy簡稱A-AFM）可以實現(xiàn)樣品內(nèi)部結構的檢測，并分析其彈性模量、剛度等力學特性，其基本原理是在AFM微懸臂梁或樣品基底處激

3、勵產(chǎn)生頻率不同的超聲振動，而聲波經(jīng)與樣品相互作用后攜帶了樣品特性，懸臂梁檢測到振動信號的頻率、振幅、相位等變化并反映到所成的相位或振幅圖像上，即可對樣品材料特性及次表面結構進行納米尺度成像。
　　 綜合各類A-AFM技術，依據(jù)其實驗原理、條件，我們統(tǒng)稱為超聲振動原子力顯微鏡（Ultrasonic Vibration Atomic Force Microscopy，簡稱UV-AFM）。本文圍繞UV-AFM的系統(tǒng)構建、實驗測試和理論

4、分析，開展了如下研究工作:
　　 (1)在深入理解A-AFM的基本理論的基礎上，搭建了UV-AFM的實驗系統(tǒng)，并針對現(xiàn)有實驗條件對傳統(tǒng)實驗系統(tǒng)進行了優(yōu)化。優(yōu)化后的UV-AFM實驗系統(tǒng)成像質(zhì)量更高，減小了形貌圖和振幅/相位圖由于信號延時產(chǎn)生的偏差，提高了掃描速度。在該實驗系統(tǒng)上進行了激勵頻率和環(huán)境等因素的對比實驗，并對一聚焦離子束(Focused Ion Beam，簡稱FIB)加工的、含有特定內(nèi)部結構的樣品進行成像，以驗證系統(tǒng)對次

5、表面結構的成像能力。
　　 (2)研究了表面形貌對UV-AFM的振幅成像襯度的影響。建立了一個簡單的針尖樣品接觸力學模型，得出了UV-AFM振幅與形貌在x方向的微分之間的比例關系，并通過一系列實驗來驗證了這一理論模型。實驗結果表明:當樣品的力學特性均勻分布且針尖和樣品僅發(fā)生單點接觸的情況下，振幅的襯度和樣品形貌在x方向的微分幾乎是一致的。而當反向掃描時，振幅圖像的襯度發(fā)生翻轉。當針尖和樣品發(fā)生多點接觸時，振幅值會增大，且仍可觀察

6、到振幅與掃描方向相關的現(xiàn)象。但是在多點接觸情況下，振幅的增加會掩蓋掉反向掃描時振幅翻轉的現(xiàn)象。以上結論意味著在對樣品進行力學性能檢測時必須考慮形貌因素對振幅信號的影響。這有助于提高UV-AFM獲取樣品力學特性數(shù)據(jù)的準確性，為進一步探索UV-AFM成像奠定基礎。
　　 (3)實驗研究了在探針激勵和樣品激勵這兩種模式下UV-AFM的探針動力學特性和成像特性。在兩種激勵模式中，接觸共振頻率峰通常都會被雜散干擾峰所淹沒，這會給接觸共振頻

7、率的精確識別帶來困難。本文提出兩種方法來幫助精確地識別接觸共振頻率。第一種是比較檢測激光聚焦在懸臂梁自由端不同位置的情況下所獲得的動態(tài)幅頻特性曲線;第二種是比較在兩種不同激勵模式下所獲得的懸臂梁動態(tài)幅頻特性曲線。對探針激勵和樣品激勵這兩種UV-AFM測量模式的對比實驗表明:除了激勵頻率正處于干擾頻率附近外，在樣品激勵模式和探針激勵模式下獲得的測量結果彼此相似，且兩種激勵模式的UV-AFM圖像都耦合了樣品的表面幾何形貌的影響，這對測量局部