高次谐振型原子力显微镜微悬臂及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及多频原子力显微术领域，具体地，涉及一种高次谐振型原子力显微镜微悬臂及其制作方法。
【背景技术】
[0002]自1986年发明原子力显微镜以来，它已成为材料、生物以及纳米科技等许多领域的重要工具。由于常规的原子力显微镜成像速度缓慢，在动态过程观测、工业生产线原位测量以及高密度信息存储等领域的应用受到限制。因此，高速发展原子力显微术近年来已引起国内外的高度关注。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-frequencyAFM，MF-AFM)，即在多个振动频率下激励和/或探测微悬臂的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，为高频部分信号的获取提供了重要的技术手段，促进了上述发展目标的实现。
[0003]然而，现有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，而基础模式频率之外的频率通常较高且信号强度远小于基础模式频率部分，因此都被忽略了，导致包含在高频部分相互作用力的信息也丢失了。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种高次谐振型原子力显微镜微悬臂及其制作方法。其中，所述制作方法通过改变高次谐振型微悬臂的几何质量分布，以使得高次谐振型微悬臂的高阶本征模式频率为基础模式频率的整数倍，基于共振放大效应，大幅度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。
[0005]为了实现上述目的，本发明提供一种高次谐振型微悬臂。所述高次谐振型微悬臂包括:固定端和自由端，所述固定端和所述自由端连成一体，所述固定端的厚度比所述自由端的厚度大d μ m，以使得所述高次谐振型微悬臂的高阶本征模式频率为基础模式频率的整数倍，其中，d为正有理数。
[0006]其中，所述自由端的长度和宽度分别与所述固定端的长度和宽度相等。
[0007]其中，所述高次谐振型微悬臂为高次谐振型硅微悬臂。
[0008]相应地，本发明还提供一种原子力显微镜。所述原子力显微镜包括高次谐振型微悬臂。
[0009]另一方面，本发明还提供另一种高次谐振型微悬臂。所述高次谐振型微悬臂包括:固定端和自由端，所述固定端和所述自由端连成一体，所述固定端的长度为所述自由端的长度的整数倍，且所述固定端的宽度比所述自由端的宽度小b μπι，以使得所述高次谐振型微悬臂的一阶扭转模式频率和/或二阶弯曲模式频率为基础模式频率的整数倍，其中，b为正有理数。
[0010]其中，所述自由端的厚度与所述固定端的厚度相等。[0011 ] 其中，所述高次谐振型微悬臂为高次谐振型硅微悬臂。
[0012]相应地，本发明还提供一种原子力显微镜。所述原子力显微镜包括高次谐振型微悬臂。
[0013]相应地，本发明还提供一种高次谐振型微悬臂的制作方法。所述方法包括:改变所述高次谐振型微悬臂的几何质量分布，以使得所述高次谐振型微悬臂的高阶本征模式频率为基础模式频率的整数倍。
[0014]其中，所述方法具体包括:利用微纳加工技术对所述高次谐振型微悬臂进行加工制作，以获得所需结构的高次谐振型微悬臂。
[0015]通过上述技术方案，让高次谐振型微悬臂的固定端的厚度大于自由端的厚度，以使得所述高次谐振型微悬臂的高阶本征模式频率为基础模式频率的整数倍，基于共振放大效应，大幅度提高高频信号的信噪比，可以实现除基础模式频率外高频信号的探测，能够提供很高的灵敏度和分辨率，从而实现高次谐振型微悬臂的针尖与样品之间力的非线性以及样品更多物性的探测和研究。
【附图说明】
[0016]图1是本发明提供的高次谐振型微悬臂的第一实施方式的结构示意图；
[0017]图2是现有的微悬臂与高次谐振型微悬臂的第一实施方式在相同作用力下的传递函数曲线图；
[0018]图3是本发明提供的高次谐振型微悬臂的第二实施方式的结构示意图；
[0019]图4是高次谐振型微悬臂的第二实施方式的一阶扭转模式频率和二阶弯曲模式频率分别与基础模式频率的比随自由端宽度变化的曲线图；
[0020]图5是高次谐振型微悬臂的第二实施方式在相同作用力下的传递函数曲线图。
【具体实施方式】
[0021]以下结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0022]现有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，而基础模式频率之外的频率通常较高且信号强度远小于基础模式频率部分，因此都被忽略了，导致包含在高频部分相互作用力的信息也丢失了。因此，本发明特提供一种高次谐振型微悬臂。
[0023]本发明提供的高次谐振型微悬臂包括:固定端和自由端，所述固定端和所述自由端连成一体，所述固定端的厚度比所述自由端的厚度大dym，以使得所述高次谐振型微悬臂的高阶本征模式频率为基础模式频率的整数倍，其中，d为正有理数。具体地，所述自由端的长度和宽度分别与所述固定端的长度和宽度相等，且所述高次谐振型微悬臂为高次谐振型硅微悬臂。藉此，所述高次谐振型微悬臂的高阶本征模式频率为基础模式频率的整数倍，基于共振放大效应，大幅度提高高频信号的信噪比，可以实现除基础模式频率外高频信号的探测，能够提供很高的灵敏度和分辨率，从而实现高次谐振型微悬臂的针尖与样品之间力的非线性以及样品更多物性的探测和研究。
[0024]相应地，本发明还提供一种原子力显微镜。所述原子力显微镜包括以上所述的高次谐振型微悬臂。
[0025]图1是本发明提供的高次谐振型微悬臂的第一实施方式的结构示意图。如图1所示，高次谐振型微悬臂的第一实施方式为台阶型高次谐振硅微悬臂。其中，自由端的厚度匕为1 μπι，自由端的宽度W为40 μm，自由端的长度12为100 μπι,固定端的长度1丨为100 μπι,固定端的宽度W为40 μπι，固定端的厚度比为1.7 μπι。
[0026]在具体的实施方式中，根据原子力显微术常用的微悬臂，设置原始的硅微悬臂的几何尺寸为200*40*2 μπι。然后，采用改变微悬臂几何质量分布的方法来实现台阶型高次谐振硅微悬臂的设计。在设计的过程中，通过改变微悬臂固定端和自由端的厚度，以使得微悬臂固定端的厚度大于微悬臂自由端的厚度，从而实现高阶本征模式与基础模式之间的整数耦合。具体地，利用微纳加工技术对原始硅微悬臂进行切割加工，完成台阶型高次谐振硅微悬臂的制作。需要说明的是，设计过程中，台阶型高次谐振硅微悬臂的厚度不仅要满足频率间的整数倍耦合，而且还要保证其上探针的易操作性及微悬臂除频率外其它特性的适用性。经过ANSYS软件的分析，调谐微悬臂的高阶本征模式与基础模式之间的耦合关系。
[0027]图2是现有的微悬臂与高次谐振型微悬臂的第一实施方式在相同作用力下的传递函数曲线图。如图2所示，横坐标表示归一化微悬臂的振荡频率，纵坐标表示响应幅值(对数值)。其中，台阶型高次谐振硅微悬臂所对应的传递函数曲线(频率响应)是在微悬臂的二阶弯曲模式频率与基础模式频率(一阶弯曲模式频率)成4倍的关系下得到的，常规矩形硅微悬臂所对应的传递函数曲线(频率响应)是在微悬臂的二阶弯曲模式频率与基础模式频率(一阶弯曲模式频率)成6.27倍的关系下得到的。由图2能够得到，在高阶本征模式频率与基础模式频率成整数倍关系的情况下，基于共振放大效应，能够大幅度提高高频信号的信噪比，能够实现高频信号的探测。
[0028]另一方面，本发明还提供另一种高次谐振型微悬臂。所述高次谐振型微悬臂包括:固定端和自由端，所述固定端和所述自由端连成一体，所述固定端的长度为所述自由端的长度的整数倍，且所述固定端的宽度比所述自由端的宽度小b μπι，以使得所述高次谐振型微悬臂的一阶扭转模式频率和/或二阶弯曲模式频率为基础模式频率的整数倍，其中，b为正有理数。具体地，所述自由端的厚度与所述固定端的厚度相等，且所述高次谐振型微悬臂为高次谐振型硅微悬臂。藉此，在利用调谐的高阶弯曲模式实现高次谐振成像的同时，还可以结合扭转谐振来实现更多性质的探测。
[0029]相应地，本发明还提供一种原子力显微镜。所述原子力显微镜包括以上另一方面所述的高次谐振型微悬臂。