一种高次谐振型石英音叉微悬臂及制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及原子力显微术领域，尤其涉及一种高次谐振型石英音叉微悬臂及制作方法。
【背景技术】
[0002]不断提高空间分辨率、数据采集速度以及实现材料性质的成像，一直以来就是原子力显微术的发展目标。近些年发展的多频原子力显微术(Mult1-frequency AFM，MF-AFM)，即在多个频率下激励和/或探测微悬臂探针的振动信号来实现样品表征等，这些振动频率通常与微悬臂的高次谐波振动或多个本征模式有关。
[0003]目前石英音叉微悬臂，与传统硅微悬臂相比，有许多不可比拟的优势:(1)石英音叉的弹性常数k值很大，可以将针尖与样品间的距离很稳定的控制在10nm以内，抗干扰能力非常好；(2)石英音叉的品质因数Q非常高，工作时的功耗非常低；(3)石英音叉的频率稳定性很好，在大气环境下，当探针所处的温度变化10°C时，微悬臂的振动频率会产生35Hz的变化，而石英音叉的频率变化仅为微悬臂变化的百分之一；(4)物美价廉，经济实用，并且粘接探针时操作性很强。因此，将石英音叉作为微悬臂在原子力显微术中具有广泛的应用，如近些年备受许多研究专家关注的qPlus AFM，其核心就是利用石英音叉作为力传感系统。
[0004]图1示出了现有的石英音叉的结构示意图。如图1所示，B为石英音叉本体的长度，D为石英音叉本体的厚度，L为石英音叉臂的长度，W为石英音叉臂的宽度，h为石英音叉臂的厚度。qPlus技术，是将石英音叉的一个整臂固定在蓝宝石基座上，而另一臂悬空，相当于传统原子力显微镜探针系统的微悬臂，然后将腐蚀的探针垂直地粘接在悬空的音叉臂端头。以 AB38T 型石英音叉为例，B = 5740 μ m，D = 1374 μ m，L = 3588 μ m，ff = 248 μ m，振动臂的厚度h为585 μπι，固定臂的厚度h为585 μ m，振动臂与固定臂之间的间隙为204 μ m，即振动臂的厚度h、固定臂的厚度h和振动臂与固定臂之间的间隙之和等于石英音叉本体的厚度D。
[0005]传统的原子力显微术仅在微悬臂的基础模式频率下进行激励和探测，而基频外的频率通常较高且信号强度小于基频部分，因此都被忽略了，导致包含在其它频率部分相互作用力的信息也丢失了。而对于样品本身，高频探测信号更能本质反映其微纳属性。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是:现有的微悬臂忽略高频相互作用力下的信号，忽略了待测样品高频信号中包含的性质的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本发明第一方面提出了一种高次谐振型石英音叉微悬臂，该高次谐振型石英音叉微悬臂包括:
[0008]石英音叉本体；
[0009]所述石英音叉本体包括音叉基部、振动臂和固定臂；
[0010]所述振动臂和所述固定臂均与所述音叉基部相连；
[0011]所述振动臂包括第一区域和第二区域，所述第一区域相距所述固定臂的距离小于所述第二区域相距所述固定臂的距离，以使所述高次谐振型石英音叉微悬臂的高阶本征频率是基础频率的整数倍。
[0012]可选地，所述第二区域的形状为长方体。
[0013]可选地，所述第二区域的一侧与所述振动臂的端头齐平。
[0014]可选地，所述第二区域的宽度与所述振动臂的宽度相等。
[0015]可选地，所述音叉基部、振动臂和固定臂为一体成型。
[0016]本发明第二方面提出了一种包括上述高次谐振型石英音叉微悬臂的原子力显微镜。
[0017]第三方面，本发明还提出了一种高次谐振型石英音叉微悬臂的制作方法，该方法包括:
[0018]对现有的石英音叉进行切割加工或直接加工制作高次谐振型石英音叉微悬臂，改变石英音叉的质量分布，以使所述高次谐振型石英音叉微悬臂的高阶本征频率是基础频率的整数倍。
[0019]可选地，所述对现有的石英音叉进行切割加工，包括:
[0020]在石英音叉本体的振动臂上切除质量块，以使所述振动臂上形成第一区域和第二区域，所述第一区域相距所述固定臂的距离小于所述第二区域相距所述固定臂的距离。
[0021]可选地，所述在石英音叉本体的振动臂上切除质量块，包括:
[0022]在石英音叉本体的振动臂上切除形状为长方体的质量块。
[0023]可选地，所述在石英音叉本体的振动臂上切除质量块，包括:
[0024]在所述振动臂上与所述振动臂的端头齐平地切除质量块，切除的质量块的宽度与所述振动臂的宽度相等。
[0025]本发明提出的高次谐振型石英音叉微悬臂及制作方法，调谐了高阶本征模式的振荡频率与基频的耦合，可以实现除基频外更多频率信号的探测，能够提供很高的灵敏度和分辨率，同时实现样品在基频下的形貌成像和高次力梯度的成像，从而实现针尖与样品间力的非线性以及样品更多物性的探测和研究。
【附图说明】
[0026]通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中:
[0027]图1示出了现有的石英音叉的结构示意图；
[0028]图2示出了本发明一个实施例的高次谐振型石英音叉微悬臂的结构示意图；
[0029]图3示出了现有的石英音叉微悬臂与本发明的高次谐振型石英音叉微悬臂在同样大小作用力下的传递函数曲线。
【具体实施方式】
[0030]下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
[0031]图2示出了本发明一个实施例的高次谐振型石英音叉微悬臂的结构示意图。图3示出了现有的石英音叉微悬臂与本发明的高次谐振型石英音叉微悬臂在同样大小作用力下的传递函数曲线。
[0032]如图2所示，该高次谐振型石英音叉微悬臂包括:
[0033]石英音叉本体11;
[0034]石英音叉本体11包括音叉基部11、振动臂12和固定臂13 ;
[0035]振动臂12和固定臂13均与音叉基部11相连；
[0036]振动臂12包括第一区域121和第二区域122，第一区域121相距固定臂13的距离小于第二区域122相距固定臂13的距离，以使所述高次谐振型石英音叉微悬臂的高阶本征频率是基础频率的整数倍。
[0037]基频外高频信号成功提取的关键在于设计特殊的微悬臂探针，调谐微悬臂探针的高阶本征频率与基础模式频率成整数倍关系，基于共振放大效应，大幅提高高频信号的信噪比，可以实现高频信号的探测，获得材料更多物性的表征。
[0038]本实施例的高次谐振型石英音叉微悬臂，调谐了高阶本征模式的振荡频率与基频的耦合，可以实现除基频外更多频率信号的探测，能够提供很高的灵敏度和分辨率，同时实现样品在基频下的形貌成像和高次力梯度的成像，从而实现针尖与样品间力