介绍了我们研制的一种高精度、具有计量学意义的原子力显微镜测头.该显微测头与其它部件协同工作在50 mm×50 mm×2 mm的测量范围内实现纳米级精度的测量.测头采用光束偏转法检测探针悬臂的微小偏移,由单模保偏光纤引入半导体激光作为光源.该测头安装有3个立体反射镜作为激光干涉仪的参考镜.样品与原子力显微镜测头的相对位置可以由激光干涉仪直接读数,可溯源到米国际定义及国家基准上.激光干涉仪的布置无阿贝误差.测头采用立体光路设计,结构紧凑.测头厚度小于20 mm,质量约200g,却实现了100mm的反射光程.使用该测头测得与量块表面的力-距离曲线,还测得标称高度300 nm SiO2台阶样板的图像,分辨率优于0.05 nm.

阐述了基于原子力显微镜（AFM）的弯曲测试测量纳米梁杨氏模量的理论和方法.重点解决了纳米梁杨氏模量测试技术中的3个关键问题：①宽梁条件下杨氏模量理论模型的修正;②纳米梁厚度的精密测量方法;③加载点位置相对于理想点的偏差给测试结果带来的不确定度的评价方法.实验结果表明,本测试结构硅纳米梁杨氏模量的测试值为（183.79±4.18）GPa.

在扫描探针纳米加工技术的基础上,提出了利用原子力显微镜（AFM）来制作高频光栅的新工艺.利用AFM硅制探针,在接触模式下对光盘（聚碳酸酯材料）进行刻划试验.对刻划光栅的工艺参数进行优化,得到了纳米量级光栅.并将刻划所得光栅应用于数字云纹法,与数字参考栅干涉形成微/纳米数字云纹.实验结果表明,该法所制得的光栅可以应用于实际变形的测量.

原子力显微术(AFM)是近年来新发展的一种高清晰度的显微技术,它能显示出物体表面附近的势能分布,并根据这种分布,可以直接描绘出物体表面的形貌.在一定的工作方式下,AFM可以分辨出导体或者绝缘体表面的单个原子.组成AFM的关键部分是一个有弹性的力传感器探头,它应包括如下一些特性:一个很锐的尖端、低的力常数和高的机械谐振频率.这些可以利用微加工技术、使用新型方法和缩小探头的尺寸来达到目的.以下所列的都是一些能获得理想的AFM探头特性的微加工工艺.这些加工工艺(1)制造不带尖头的sio_2或si_3N_4薄膜悬臂梁,(2)通过在si(100)衬底上腐蚀出铸坑,制造带有集成的金字塔尖端的si_3n_4悬臂梁.(3)利用各向同性腐蚀和各向异性的等离子刻蚀,制造带有锥形尖的sio_2悬臂梁,(4)利用各向异性腐蚀,制造带正四面体尖头的sio_2悬臂梁.每一种工艺都利用(100)晶

发展了一种气／液两用型原子力显微镜（AFM）系统，讨论了其工作原理，给出了优化的气／液两用型探头及扫描与反馈控制电路。利用该型AFM系统分别对大气环境下的硅片以及液体环境下的刀片和多孔氧化铝样品进行了扫描检测。实验结果表明，该型AFM系统在大气和液体环境中均可扫描获得理想的AFM图像，分辨力达到纳米量级，扫描范围可达4000nm×4000nm，可满足各种微纳米扫描测量的要求。

研制了一种新的压电陶瓷驱动的铰链放大式微动工作台.介绍了该微动工作台的基本原理,利用原子力显微镜技术测定了压电陶瓷与铰链放大臂的微位移和微振动,确定了铰链机构的放大比及微动工作台的时间响应频率.结果表明,该微动工作台能以0.5μm～5μm的步长实现平稳的微位移,最大速度达到250μm/s.

论述了一种新颖的原子力显微镜,它利用硅微探针的特殊结构和相关光学系统所引起的点衍射干涉现象[1]来扫描成像,因为硅微探针被用作反射型点衍射板,故光路完全共路,再结合锁相检测技术,使得该仪器抗干扰力极强且结构精巧紧凑,可适用于测试软硬不同材料样品,对软质高分子膜材料检测得到了实际的链状结构.

推导出根据原子力显微镜测量得到的电压信号计算法向力和横向力的公式，然后研究用力-距离曲线标定公式中测量系数的方法，并用几种不同的探针和试样测试和确定所用原子力显微镜的测量系数。从测量的结果可以看到，不同探针和试样的测量值较为接近，表明该方法可行。当原子力显微镜测量系统的光路对称时，用本方法标定测量系数较为简单和准确。

针对原子力显微镜(AFM)的线宽和轮廓的精确测量,对AFM探针的原位有效参数进行了定义和表征,提出使用AFM探针的原位有效参数对AFM的线宽测量结果进行修正的模型.采用有效半径和半内角表征AFM探针的复合形状,悬臂轴倾角表征探针的安装状态,设计了具有不同梯形截面的两个表征样板,通过对表征样板进行AFM和扫描电子显微镜(SEM)的比对测量获得了探针的原位有效参数.提出了在线宽测量中,当AFM的扫描轮廓线具有不同的斜度时分别采用的不同的修正公式.采用此公式和探针的原位参数对掩膜板的AFM线宽测量结果进行了修正.

设计了一种便携式原子力显微镜压电陶瓷管驱动器,该驱动器使用5～12V宽幅直流电源,产生＋215V和±15V的电源供给高压放大模块和信号调理模块,可将输入的-10V～＋10V控制信号,放大为-200V～＋200V的电压驱动压电陶瓷扫描管,功耗仅为2W左右,体积为150mm×60mm,可以使用电池供电并连续工作7～8h。该驱动器是便携式原子力显微镜的一个重要模块,该模块功能的实现使原子力显微镜在工业现场和野外环境进行测量成为可能。