原子力显微镜在轻敲模式下工作时,相位像相比于高度像能提供更多的样品信息,因此如何提供高分辨率的相位像成为理论和实验研究的重要内容。原子力显微镜其核心部件为微悬臂梁系统,在轻敲模式下将其简化为质量-弹簧-阻尼振动模型。采用经典振动力学理论分析该模型,可得到一种提高相位像分辨率的方法。结果表明,在探针-样品系统中,对于不同的品质因子,通过合理选择激振频率可使相位像分辨率达到最大。研究结果对操作者在实验中取得更高分辨率的相位图具有一定的参考意义。

本文通过各种标准物质样品在原子力显微镜上的实验性测试,对涉及原子力显微镜放大倍率校准的相关的标准物质、图像非线性、图像畸变、针尖效应的问题进行了探讨,并认为原子力显微镜在针尖效应还没有解决前,进行带有一定置信水平的不确定度的放大倍率校准还尚难实施.

研究了采用微悬臂梁上集成的ZnO压电薄膜作为微驱动的探针的直接激振方法，比较了间接激振和直接激振方法下探针在液体中的振动性能，以标准生理溶液中的海拉细胞为样品，对原子力显微镜在液体环境下轻敲模式的成像性能进行了实验研究．研究表明，采用压电探针的直接激振方法在探针振动的幅频曲线中仅有单一谐振峰，可以避免在压电陶瓷管激振方法下由液体振动造成的寄生谐振峰，因此使用压电探针不仅提高了探针振动频率的控制精度，而且减小了针尖对样品的损坏，还提高了仪器的带宽和成像速度．对于512×512点阵和60μm×60μm范围的图像，使用该方法可将采集速度由原来的2～3min／帧提高到15-20s／帧，并且扫描速度的提高对原子力显微镜在动态过程中的研究有着重要的参考价值．

在轻敲工作模式下，原子力显微镜（AFM）压电微悬臂以较大的振幅振动。以纳米管针尖为例建立了压电微悬臂振动的数学模型并描述了纳米管尖端的振动轨迹，从纳米管尖端的振动轨迹和仿真图形的关系，指出压电微悬臂振动影响测量精度的有关参数及减小由振动产生膨胀变形的方法。根据数学图形学膨胀理论仿真出纳米管尖端振动轨迹对标准线宽模型的影响，AFM测量线宽的试验验证了上述结果。

讨论了液相型原子力显微镜(AFM)的液相探头、液体池、图像扫描处理软件以及扫描与光电反馈控制电路系统.利用该液相型AFM分别进行了气相和液相环境中的样品表面形貌测量,给出了理想的图像结果.实验表明,该液相型AFM具有优良的液相扫描性能,同时保持了很高的图像分辨率、稳定性和重复性.

扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）和原子力显微镜（ＡＦＭ）由于具有原子量级的分辨率，所以在表面物理，化学，生物学领域得到了越来越广泛的应用。但是，扫描隧道显微镜只能观察导电样品，这就限制了它的应用范围。

采用曲率半径2μm的金刚石针尖，分别在原子力显微镜和纳米划痕仪上研究了GCr15、304不锈钢、超弹和形状记忆NiTi合金等材料在5μN～80mN载荷的摩擦学性能．结果表明，载荷对材料的摩擦机制有很大影响．当载荷低于80μN时，4种样品表面均无明显的划痕损伤，摩擦机制以界面摩擦为主；100～150μN时，摩擦机制逐渐转变到以犁沟摩擦为主；80mN时，4种材料犁沟摩擦力占总摩擦力的比例甚至超过90％．另外，材料的硬度和弹性模量对其摩擦性能也有显著影响．硬度越高，材料越难发生犁沟损伤，摩擦机制从界面摩擦转变到犁沟摩擦对应的载荷越高；弹性模量与硬度的比值越大，摩擦过程中的犁沟效应越显著，犁沟摩擦力占总摩擦力的比重越大．

针对传统比例-积分-微分（PID）控制器参数整定困难的问题,提出一种新型比例-积分（PI）参数自动寻优控制器（SPO）.先确定PI参数的取值范围,按一定取值间距建立PI参数的查找表;针对反馈跟踪控制的3个性能指标,包括上升时间、超调量和稳态误差,分别根据查找表的参数进行轮询式测试,建立3个独立的性能评价数据库;根据满意度函数映射和自动规则产生算法,将3个评价数据库分别用函数表示;为了综合考虑3个性能指标,使系统控制的整体性能达到最佳,引入了价格函数;最后通过基于层截面颗粒度分析的图形算法,寻找出最优的PI参数.在原子力显微镜（AFM）上的实验证明,本控制器能自动寻找出适合当前系统状态的最优PI参数,可避免由于人为经验因素对扫描成像造成的影响,从而取得更好的扫描图像.

1986年,为了观察绝缘材料表面的原子图像,IBM的G.Binning和斯坦福大学的C.F.Quate、C.Gerber合作,发明了原子力显微镜(Atomic ForceMicroscope: AFM)。当时,AFM的横向分辨率达到2nm,纵向分辨率达到0.01nm,放大倍数高达100万倍以上,而且AFM对工作环境和样品制备的要求比电镜的低得多,因此立即得到了广泛的重视。最早的AFM主要是作为观察样品表面形貌的显微镜使用的。由于表面的高低起伏状态能够准确地以数值的形式获取,AFM也作为检查表面粗糙度和测量仪器来使用。目前,通过控制并检测针尖-样品之间的相互作用力,原子力显微镜已经发展成为扫描力显微镜家族,不仅可以以高分辨率表征样品表面形貌,而且可以分析研究与作用力相对应的各种表面性质。另外,利用探针尖锐的针尖,可以操纵原子和进行纳米加工,因此,AFM与STM一起在纳米科学与技术中发挥着日益重要的作用。

本文报导国际上研制的第一台在纳米测量中，在中等测量范围内，具有微型光纤传导激光干涉三维测量系统、可自校准和进行绝对测量的计量型原子力显微镜。它的诞生，可使目前用于纳米技术研究的扫描隧道显微镜定量化，并将其所测量的纳米量值直接与米定义相衔接。使人们更加准确地了解纳米范围内的各种物理现象，并对它们测量误差的抑制及其补偿方法，并进行了大量的实验，得到良好的结果。目前，该计量型原子力显微镜在其测量范围内，