在20世纪末，各种电子元器件、机械机构等都有向小型化、微型化发展的趋势。许多纳米级的器件已经被应用在科学研究与工业生产中，纳米科技越来越受到人们的关注。 扫描探针显微镜(SPM)是研究纳米科技的重要工具。在SPM家族中，以原子力显微镜(AFM)的应用最为广泛，它可以在大气、液体等多种环境下对导体、半导体、绝缘体等多种材料进行观测，适应性很强。 AFM的主要性能指标包括其最大扫描范围和测试分辨率等。扫描范围一般在几微米至几十微米量级，有时无法满足某些特定场合的需求，例如对有些材料表面进行研究时，研究人员希望能够同时观察几百微米范围内样品表面的形貌、缺陷等性质；非接触模式AFM用于生物医学研究观察蛋白质一类生物大分子或是多分子聚合体时，人们希望其扫描范围更大一些。单个蛋白质分子的大小差别很大，较大的可能有几百万(?)，而较小的也会有上万(?)，此时几微米，甚至几十微米的扫描范围是远远不够的。对于只有一个或几个蛋白质分子的样品图像来说，人们很难从中分析出很多数据。人们总是希望能够在满足一定的扫描分辨率的同时，能够看到更多的东西。基于这个需求，我们提出了大扫描范围AFM的课题，并研制出整个AFM系统，在保证扫描分辨率的情况下，提高了扫描范围。 本论文分为六章，第一、二章介绍纳米科技、课题背景及AFM的基本原理；第三章介绍本课题提出的一些新方法及创新之处；第四章介绍本课题的研究成果即研制完成的大扫描范围AFM系统；第五章对该AFM系统的系统性能进行了优化研究；第六章展示制成功的大扫描范围AFM系统的应用结果，包括几种不同样品的扫描结果；第七章为总结与展望。 本课题的创新之处包括： 提出压电陶瓷的推拉式控制方法。以前给压电陶瓷施加电压信号的方式多为单信号加压，即，只给压电陶瓷的一侧施加电压信号，另一侧则接地。现在提出了压电陶瓷的推拉式控制方法，给压电陶瓷内外侧分别加上两个相位相差180°的电压信号，使得加在压电陶瓷管壁上的电场方向交替变化，从而使得压电陶瓷极化方向交替变化，这样就比单方向极化的压电陶瓷管伸缩距离大，扩大扫描范围。浙江大学硕士论文 改进压电陶瓷扫描器的驱动电路，采用相移式扫描控制方法及电路。由电脑发出一路控制信号，经过相移式控制电路，产生另一路与原信号相差180“的信号电压，此电路采用模拟电路，速度快，响应时间可以忽略，两列信号可以严格保证在180“的相位差。 同时我们还提出了基于微动平台的序列图像扫描及拼接方法。引入微动平台，在压电陶瓷驱动器扫描完一幅图像后，通过微动平台将样品移动一定的距离(工r方向均可)，然后再扫描下一幅图像，最后将扫描完成的全部图像拼接起来，就可以得到一幅完整的大范围样品图像。由于扫描时微动平台静止，所以整幅图像的分辨率仍然取决于压电陶瓷，不会因为微动平台的引入而降低分辨率。 设计研制了整个大扫描范围AFM系统，包括探头、扫描机构、控制机箱、计算机硬件接口、扫描控制程序等。对不同的样品进行了扫描，如2000线/~的光栅，多孔氧化铝等等，获得了很好的结果。实验表明，本课题研制的大扫描范围AFM在大气环境下能够稳定工作，具有较大的扫描范围、优良的扫描稳定性、重复性以及良好的图像对比度和清晰度。其分辨率横向优于Inm，纵向优于O.lllln。单幅图像的扫描范围为9林mXg林m，整幅图像的大小可以达到毫米级。二淤.