《超聲原子力顯微術的內部納米結構成像機制和系統研究》是依託中國科學技術大學，由陳宇航擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：超聲原子力顯微術的內部納米結構成像機制和系統研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：陳宇航
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
超聲原子力顯微術（UAFM）集成了超聲檢測的無損穿透能力和原子力顯微鏡的高空間解析度的優點，可實現樣品內部納米結構的檢測，在眾多研究領域中具有廣闊的套用前景。本項目針對目前基於UAFM原理的樣品內部納米結構成像機制還不清楚、測試數據只能定性表征等問題，提出開展基於探針/樣品微弱高頻超聲振動信號分析的納米尺度內部結構特性定量重構的深入研究。主要研究內容包括：搭建柔性工作環境、基於UAFM原理的內部納米結構成像系統平台；深入分析探針/樣品的超聲振動耦合作用機制，明確高頻振動的耦合輸出與內部結構特性以及眾多關鍵影響因素的內在關聯；進行與其他三維納米成像技術的比對分析及套用探索。本項目提出的多參數耦合最佳化分析方法和內部納米結構特性定量重構具有新意。本項目的實施可為納米尺度生物科學、材料科學和納米製造的研究提供新的測試方法，為後續的套用奠定堅實的理論和技術基礎。
結題摘要
微納科技的發展對次表面結構納米成像提出了巨大挑戰，迫切要求開發具備柔性工作環境、超高分辨力及非侵入式的檢測新方法和新技術。超聲原子力顯微術可實現內部納米結構檢測，具有廣泛的套用前景。本項目針對目前基於超聲振動調製的原子力顯微術次表面納米成像機制尚未清楚、測試數據多為定性表征等問題，在國家自然科學基金的資助下已完成的主要研究工作包括：（1）搭建了面向樣品內部納米結構成像的超聲原子力顯微鏡系統平台，集成了樣品激勵、探針激勵和雙路差頻激勵等三種操作模式，可較穩定地獲取振動頻譜和次表面納米圖像。（2）結合針尖和內含納米材料樣品彈性接觸作用的有限元建模、微懸臂樑非線性振動理論分析和相應的系列實驗測試，系統分析了不同成像因素對次表面材料物性檢測靈敏度的影響。（3）進行內部納米結構參考樣品的設計和加工，包括內嵌納米顆粒的多聚物、矽基底上加工的內斜槽結構、與基底材料間具有顯著粘結強度差別的多層膜系等，為定量測量表征奠定了基礎。（4）對高定向熱解石墨的次表面缺陷進行了各種超聲原子力顯微模式成像檢測，均展現出良好的次表面納米檢測能力，基於第一性原理計算分析的次表面空穴缺陷引起的力學性能變化能夠合理解釋實驗中的部分現象。（5）採用接觸共振模式對聚醯亞胺基碳納米管增強複合材料的內部納米管分布進行了定量檢測並建立接觸剛度和碳納米管掩埋深度、接觸諧振頻率和接觸剛度的規律關係，據此重構出次表面碳納米管的三維空間分布。（6）建立了次表面空穴結構檢測的理論模型，對檢測深度等評價指標進行了系統研究，闡明振動模態、作用力等對次表面納米檢測能力的影響。（7）對比分析了基於力學作用感測的超聲振動調製接觸共振原子力顯微術和基於電學作用感測的開爾文探針力顯微術在內部納米材料檢測上的各種性能差異。本項目研究工作進展順利，完成了各項既定目標，已在國內外學術期刊上發表論文18餘篇。
