專(zhuān)利名稱(chēng):探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及掃描探針顯微鏡，具體說(shuō)是一種探針固定而樣品振蕩型掃描力顯微鏡鏡體。
技術(shù)背景
現(xiàn)有的掃描力顯微鏡(scanning force microscope,簡(jiǎn)稱(chēng)SFM)，包括原子力顯微鏡和 磁力顯微鏡等，其探針(tip)都是固定于探針微桿(cantilever)的一端，并隨探針微桿 的振蕩而振蕩，而樣品是不振蕩的。探針與樣品間的作用力變化由探針微桿的振蕩頻率的變 化給出。這導(dǎo)致四個(gè)重大難題(1)探針和探針微桿的集成非常困難，通常要用到微加工和 光刻技術(shù)，導(dǎo)致其成本高到難以忍受。例如壓阻(piezo-resistive)探針的價(jià)格就高達(dá) 捌佰元人民幣一枚。這使得SFM雖己強(qiáng)大到具有亞原子分辨能力，但其應(yīng)用與普及大大受限。 (2)更重要的是，價(jià)廉物美的探針并不是沒(méi)有，如掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope,簡(jiǎn)稱(chēng)STM)的探針，不僅制作容易，也更尖銳、更有優(yōu)越性，但卻難為SFM所用， 因?yàn)楝F(xiàn)有SFM都離不開(kāi)探針微桿，而探針微桿很細(xì)小，將腐蝕好的分立的STM探針固定到細(xì) 小的探針微桿上是很困難的。如果能擺脫SFM對(duì)探針微桿的依賴(lài)，就不需專(zhuān)門(mén)研制新型SFM 探針，直接就能使用如STM探針等各種己有的、技術(shù)成熟、性能優(yōu)越的探針，使SFM迅速普 及。(3)傳統(tǒng)SFM使用探針微桿產(chǎn)生的振蕩一般品質(zhì)因子Q不高，不利于獲得很高的測(cè)量靈 敏度。(4)傳統(tǒng)SFM使用探針微桿產(chǎn)生的振蕩一般振幅較大，不利于獲得很卨的短程力測(cè)量 靈敏度，而短程力測(cè)量靈敏度的下降直接降低SFM的原子分辨能力。
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中掃描力顯微鏡探針制作困難，且又不能使用無(wú)微桿探針的難題，提 供一種探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體。
本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)中掃描力顯微鏡探針制作困難和不能使用無(wú)微桿探針的技術(shù)方案
是
本發(fā)明探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體，包括探針、樣品、振子、定位 器，定位器設(shè)置于探針與振子之間，探針指向固定于振子上的樣品。
所述的定位器由XYZ定位壓電管以及分別設(shè)置在其兩端的探針座和振子座構(gòu)成，探針固
定在探針座上，振子固定在振子座上。 所述的探針是分立的無(wú)微桿探針。 所述的振子是壓電振子。所述的壓電振子是晶體振子。 所述的晶體振子是石英晶振片或石英微叉。 所述的定位器與振子之間增設(shè)輔助振子。 所述的輔助振子是壓電振子。
本發(fā)明探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體的工作原理為
樣品固定于振子上，探針指向樣品，探針與樣品間的位置調(diào)節(jié)由定位器完成。因?yàn)檎褡?是驅(qū)動(dòng)樣品振蕩，而探針不振，所以探針可以是無(wú)微桿的分立探針?，F(xiàn)有技術(shù)中樣品對(duì)振蕩 探針的作用力的變化導(dǎo)致探針振蕩的本征頻率發(fā)生變化；對(duì)該頻率變化進(jìn)行測(cè)量可獲得成像 信號(hào)。本發(fā)明利用作用力與反作用力原理探針對(duì)振蕩樣品的反作用力的變化也能導(dǎo)致樣品 振蕩的本征頻率發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量該頻率的變化獲得成像信號(hào)。
傳統(tǒng)SFM使用探針微桿的好處是能利用微桿的低倔強(qiáng)系數(shù)K來(lái)降低振蕩頻率，從而提高 探針測(cè)量力的變化的靈敏度，但也有兩個(gè)缺點(diǎn)(1)微桿振蕩的品質(zhì)因子Q不高，從而降低 探針測(cè)量力的變化的靈敏度；(2)微桿振蕩的振幅較大，導(dǎo)致探針測(cè)量短程力的靈敏度下降， 不利于原子分辨。本發(fā)明振蕩樣品的振子可選用晶體振子，其倔強(qiáng)系數(shù)K雖比微桿的高1到 2個(gè)量級(jí)，對(duì)測(cè)量靈敏度不利，但好處是(1)其品質(zhì)因子Q (可達(dá)106)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微桿的品 質(zhì)因子(幾千)，大大有利于提高測(cè)量靈敏度，完全是利大于弊；(2)其振幅較小，有利于提 高短程力測(cè)量的靈敏度，提高原子分辨質(zhì)量。
現(xiàn)代晶體振子極高的振蕩品質(zhì)因子已被成功用于精確測(cè)量納米級(jí)超薄薄膜的厚度，其頻 率分辨能力遠(yuǎn)高于SFM原子成像所需的約0. 1赫茲的頻率分辨率，將比傳統(tǒng)使用探針微桿的 SFM具有更高的靈敏度與精度。由于探針不需要固定在探針微桿上，原則上可以使用任何形 式的探針，包括STM探針。
上述定位器與振子之間可增設(shè)輔助振子來(lái)帶動(dòng)振子振動(dòng)。輔助振子的作用是(1)使振
子起振容易，振幅易控，(2)可獲得小振幅振蕩，有利于提高短程力的測(cè)量靈敏度，改善原 子分辨成像質(zhì)量。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在
(1) 可以使用無(wú)微桿的分立探針，如更尖銳、針形更好的STM探針，制成性能更好的SFM。
(2) 探針成本大大降低，有利于SFM的迅速普及。
(3) 使用晶體振子時(shí)的品質(zhì)因子高于傳統(tǒng)使用探針微桿的品質(zhì)因子，有利于更靈敏SFM的 出現(xiàn)。
(4) 有利于獲得小振幅振蕩，提高短程力的測(cè)量靈敏度，從而提高原子分辨能力。
圖1是本發(fā)明基本型探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明使用XYZ定位壓電管的探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體的 結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是木發(fā)明使用石英微叉振子的探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體的結(jié) 構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明增設(shè)輔助振子的探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體的結(jié)構(gòu)示 意圖。
圖中標(biāo)號(hào)1探針、2樣品、3振子、4定位器、5探針座、6振子座、7XYZ定位壓電 管、8石英微叉振子、9輔助振子。
以下通過(guò)具體實(shí)施方式
，結(jié)構(gòu)附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:基本型探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體。
圖1是基本型探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體的結(jié)構(gòu)示意圖，定位器4設(shè) 置于探針1與振子3之間，探針1指向固定于振子3上的樣品2。
工作時(shí)，定位器4用于探針1與樣品2之間的定位、掃描、以及探針-樣品間隙調(diào)節(jié)。探 針1與樣品2間作用力的變化由振子動(dòng)態(tài)本征頻率的變化給出。
實(shí)施例2:使用XYZ定位壓電管的探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體。
上述實(shí)施例1中的定位器4由XYZ定位壓電管7以及分別設(shè)置在其兩端的探針座5和振 子座6構(gòu)成，如圖2，振子3固定在振子座6上，探針1固定在探針座5上并指向固定在振 子3上的樣品2，這樣X(jué)YZ定位壓電管7便可完成探針1與樣品2之間的定位、掃描、以及 探針-樣品間隙調(diào)節(jié)。探針1與樣品2間作用力的變化由振子動(dòng)態(tài)本征頻率的變化給出。
實(shí)施例3:使用石英微叉振子的探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體。
上述實(shí)施例中的振子3可以是壓電振子，以晶體振子特別是石英振子為佳。石英振子又 可為片狀或微叉型(tuning fork)。圖3是使用石英微叉振子8的探針固定而樣品振蕩型無(wú)微
桿掃描力顯微鏡鏡體的結(jié)構(gòu)示意圖。
實(shí)施例4:增設(shè)輔助振子的探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體。
上述實(shí)施例中的定位器4與振子3之間也可增設(shè)輔助振子9，從而可由輔助振子9帶動(dòng)振
子3振動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。輔助振子9可使振子3的振幅易控，起振容易可獲得小振幅
振蕩，提高短程力的測(cè)量靈敏度，改善原子分辨能力。輔助振子9可以是壓電振子。
權(quán)利要求
1、一種探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體，包括探針、樣品、振子、定位器，其特征在于定位器設(shè)置于探針與振子之間，探針指向固定于振子上的樣品。
2，根據(jù)權(quán)利要求
1所述的探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體，其特征在于所述 的定位器由XYZ定位壓電管以及分別設(shè)置在其兩端的探針座和振子座構(gòu)成，探針固定在探針 座上，振子固定在振子座上。
3，根據(jù)權(quán)利要求
1所述的探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體，其特征在于所述 的探針是分立的無(wú)微桿探針。
4、 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體，其特征在于所述 的振子是壓電振子。
5、 根據(jù)權(quán)利要求
4所述的探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體，其特征在于所述 的壓電振子是晶體振子。
6、 根據(jù)權(quán)利要求
5所述的探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體，其特征在于所述 的晶體振子是石英晶振片或石英微叉。
7、 根據(jù)權(quán)利要求
1或2或3或4或5或6所述的探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡 鏡體，其特征在于所述的定位器與振子之間增設(shè)輔助振子。
8、 根據(jù)權(quán)利要求
7所述的探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體，其特征在于所述 的輔助振子是壓電振子。
專(zhuān)利摘要
本發(fā)明探針固定而樣品振蕩型無(wú)微桿掃描力顯微鏡鏡體涉及掃描探針顯微鏡，包括探針、樣品、振子、定位器，定位器設(shè)置于探針與振子之間，探針指向固定于振子上的樣品。定位器由XYZ定位壓電管及分別設(shè)置在其兩端的探針座和振子座構(gòu)成，探針與振子分別固定在探針座與振子座上。探針是分立的無(wú)微桿探針。振子為壓電振子、晶體振子、石英晶振片或石英微叉。本發(fā)明的有益效果為可使用分立的無(wú)微桿探針，如性能優(yōu)越的STM探針；探針成本大大降低，利于性能更好掃描力顯微鏡的出現(xiàn)和普及；使用高品質(zhì)因子的晶體振子能提高頻率分辨率和測(cè)量精度；在定位器與振子間增設(shè)輔助振子還可獲得小振幅振蕩，提高短程力測(cè)量靈敏度和原子分辨能力。
文檔編號(hào)G01Q60/00GKCN101424611SQ200810186053
公開(kāi)日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2008年12月12日
發(fā)明者侯玉斌, 飛 吳, 陸輕鈾 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan