随着纳米科技的飞速发展,原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)已经在各领域的科学研究得到了广泛的应用。相比传统的接触模式与轻敲模式AFM而言,非共振模式AFM能够实现对力的控制精度更高,并且在获取被测样品表面形貌的同时可获取样品的多种机械特性,因此被广泛应用到纳米科学领域当中。本文通过采用背景相减与同步算法相结合的方法搭建一套自制的非共振轻敲模式AFM系统,实现了在对被测样品进行形貌成像的同时还能够对其多种力学性质进行表征,并且优化了系统的最小可控力精度,使其最小可控力小于50p N。主要研究内容如下:(1)对非共振轻敲模式AFM系统的工作原理展开了研究。首先针对本系统对探针与样品之间相互作用力的力学模型进行了理论研究,对悬臂微偏转的检测方法进行了分析,对本文所采用的背景相减算法与同步算法所实现的非共振轻敲模式AFM的成像原理进行了详细的论述,并对其机械特性的提取方法进行了研究。(2)为了提高系统的响应速度以及易用性,对系统的最优控制策略展开了研究。通过采用继电反馈试验法与天牛群优化算法相结合实现了对系统的最优控制参数的获取,提高系统响应速度的同时也有效地解决了系统使用过程中需要反复调参的过程。基于Matlab/Simulink环境搭建了非共振轻敲模式AFM系统的仿真模型,分别采用Ziegler-Nichols整定参数方式与天牛群优化算法对系统的PI控制参数进行获取,通过仿真结果表明采用BSO整定方法能够使系统响应更快、误差更小。(3)在理论与仿真研究的基础上搭建了非共振轻敲模式AFM系统。研究并设计了系统的几何光路,扫描头结构,系统的硬件结构,包括Z向位移台、悬臂梁、样品扫描机构、控制器以及上位机等。对系统的光电检测电路进行了设计与研究,通过对检测电路的带宽与噪声的理论分析进行了运放芯片的选择,通过搭建检测电路的噪声仿真模型对噪声进行了分析,对其进行了实际噪声测量。又对系统数据处理单元进行了设计,保证了其处理速度满足系统的要求。(4)通过大量实验对系统进行了测试,并详细论述了实验过程与步骤。主要包括:对样品进行力曲线的获取与分析,得到了其最小可控力;对标准硅栅格进行了形貌成像,在保证了成像分辨率的情况下对系统的有效性与准确定进行了验证;采用较为常用的商业轻敲模式AFM与本系统分别对由低密度聚乙烯和聚苯乙烯两种不同材料组成的复合样品进行了扫描实验。通过对实验结果的分析,验证了本文搭建的非共振轻敲模式AFM系统能够实现高分辨率的对样品进行多信息获取的功能性。该论文有图46幅,表4个,参考文献53篇。