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超声原子力显微镜在纳米尺度 材料特性测量及亚表面结构成像中的应用研究 （马成福，S2013 年6 月） 摘要：随着纳米材料及纳米技术的发展，对材料特性的纳米尺度测量及对次表面结构的纳 米尺度成像需求日益增加。超声原子力显微镜或原子力声学显微镜，通过将超声方法和原 子力显微镜相结合，实现在纳米或亚微米尺度材料特性及次表面结构的无损检测。本文通 过基本原理、理论模型、材料特性测量、亚表面结构成像等内容，详细论述了超声原子力 显微镜在纳米尺度材料特性测量及亚表面结构成像中的应用。 关键词：超声原子力显微镜；原子力声显微镜；弹性性能；亚表面结构 Nanoscale Material Properties Mapping and Subsurface Imaging with Ultrasonic Atomic Force Microscopy (MA Cheng-fu, S 2013.6) Abstract: With the development of nano-materials and nanotechnology, the elastic property measurement with nanoscale resolution and nanoscale subsurface structure imaging are in great demand. Ultrasonic Atomic Force Microscopy (UAFM) or Atomic Force Acoustic Microscopy (AFAM), which combined the ultrasonic methods and Atomic Force Microscopy (AFM), achieved non-destructive measurement of material properties and subsurface structure in the nanometer or submicron scale. In this paper, the application of UAFM in nanoscale material properties mapping and subsurface imaging are discussed in detail, include basic principles, theoretical models, material properties measurements, sub-surface structure imaging, etc.. Keywords: Ultrasonic Atomic Force Microscopy; Atomic Force Acoustic Microscopy; elastic properties; subsurface structures 0 引言 随着纳米科技的飞速发展，纳米材料、纳米结构开始在微机电系统、信息技术、生物 器件、机械工程等领域具有越来越广泛的应用，而纳米尺度超高分辨率、非侵入式的成像 检测技术也变得日益重要。 传统基于光学、声学原理的三维成像技术由于受衍射分辨极限的限制，分辨率较低， 无法实现在纳米尺度上对样品性质的精细观察分析。扫描声学显微镜（SAM ）技术是近几 年发展的一种高频超声扫描成像技术，适用于对样品内部空洞、微裂纹等缺陷进行检测， 其中缺陷位置、大小可较好地通过成像判别。但由于SAM 检测上限频率的限制，其轴向分 辨率只能达到几十微米，横向分辨率达上百微米量级，无法完成纳米尺度精细成像。 纳米压痕技术 （NI），作为一种在纳米尺度范围内测量材料特性的新技术，受到广泛关 注。纳米压痕技术可应用于薄膜、微结构相、块体材料的纳米尺度硬度、弹性模量、纳米 划痕、摩擦系数、屈服强度、断裂韧度以及界面结合力等的测量。其纵向分辨率达 0.01nm，但横向分辨率受到限制，只有微米量级，且这种技术无法检测材料或器件的微缺 陷。 扫描探针显微镜 （SPM ），尤其是应用最广泛的原子力显微镜（AFM ），通过检测探针 接近或接触样品表面时的极微弱的原子间相互作用力来分析样品的机械特性及表面形貌。 SPM 具备纳米甚至原子量级的实空间分辨能力，其纵向分辨率可达0.01nm，横向分辨率也