一种原子力显微镜中激励探针振动的方法与流程

本发明涉及原子力显微镜技术领域，尤其涉及一种原子力显微镜中激励探针振动的方法。

背景技术：

原子力显微镜(atomicforcemicroscope，afm)是继扫描隧道显微镜(scanningtunnelingmicroscope，stm)之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵；现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。

原子力显微镜中有一根纳米级的探针被固定在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上，当探针靠近样品时，其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置。根据扫描样品时探针的偏离量或振动振幅重建三维图像，就能间接获得样品表面的形貌或成分信息。

根据探针与样品作用力性质的不同，afm主要有三种成像模式：接触模式(contactmod)、非接触模式(non-contactmode)和轻敲模式(tappingmode)。

接触模式afm，探针针尖始终与样品表面保持接触，当扫描管引导针尖在样品上方扫过(或样品在针尖下方移动)时，互相接触原子的电子间存在的库仑排斥力使悬臂发生弯曲，从而反映出形貌的起伏。接触模式可以获得稳定、高分辨的图像，然而由于针尖与样品间相互接触且作用力很大，所以容易造成样品的变形以及针尖磨损。

非接触模式中，针尖与样品工作于吸引力作用区间，针尖与样品间始终不接触，探针在其共振频率附近振动，通过调节针尖的高度控制探针振幅或频率恒定，从而保持针尖与样品的恒定间距。非接触模式适合扫描软样品，但在室温大气环境下实现这种模式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一层小小的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面的压力，造成图像数据不稳定和对样品的破坏。因此，非接触模式在空气中操作的成功率较低，使用较少。

轻敲模式介于接触模式和非接触模式之间。与接触模式相比，轻敲模式接触样品时所产生的侧向力明显减小。与非接触模式相比，其特点是扫描过程中探针也是振荡的，并具有比非接触模式更大的振幅(大于20nm)。针尖在振动周期的底部敲击样品，针尖和样品的相互作用可改变其振幅或共振频率，以振幅或频率作为反馈信号通过调节针尖的高度保持针尖与样品的恒定间距。因此在空气中检测柔软的样品时，afm的轻敲模式是较好的选择。

如图1所示，在非接触模式以及轻敲模式中，一般采用探针驱动器激励悬臂振动。目前常规采用的探针驱动器是压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器在信号源作用下产生一个交流振动，该振动力直接作用于悬臂根部，自悬臂根部传递至探针针尖，从而驱动悬臂与整个探针振荡。由于驱动力只作用于悬臂的根部，在探针针尖扫描样品的过程中，样品表面的粘附力和毛细管力将对针尖产生向下的吸力，从而抑制了探针振荡，引起探针振荡振幅下降，甚至下降为零，进而影响扫描成像，导致成像失败。

为了避免这种情况，通常要求悬臂具有高的弹性系数(20-60n/m)、共振频率和大的驱动力，但是这样会增加设备要求，同时在轻敲模式中还会造成成像时破坏样品的原始结构，尤其是对于柔软的样品，比如悬空的石墨烯片、凝胶状样品等，还可能破坏或移动样品，并会污染针尖，增大针尖与样品的接触面积，使稳定的高分辨成像变得更加困难。

技术实现要素：

针对上述技术现状，本发明提出一种原子力显微镜中激励探针振动的方法，该方法简单易行，能够直接激励探针使其振动。

本发明的技术方案为：一种原子力显微镜中激励探针振动的方法，其特征是：在所述探针下方设置压电换能器，该压电换能器在信号源作用下产生竖直方向的机械振动，在该机械振动波激励下探针发生振动。

所述的信号源不限，可以是函数发生器。

作为一种实现方式，被测样品固定于压电换能器表面。作为优选，被测样品通过耦合剂固定于压电换能器表面。

与现有的采用探针驱动器激励悬臂振动，从而带动探针振动的方法相比，本发明具有如下有益效果：

(1)采用本发明的激励方法，探针直接受到机械振动波的激励而发生振动，实现对探针的直接的精微的控制，因而与现有的采用探针驱动器激励悬臂振动，从而带动探针振动的方法相比，探针针尖更容易挣脱样品表面的粘附力和毛细管力的作用进行稳定的振动，有利于稳定地扫描成像，获得高分辨率的扫描图像，并且降低了对悬臂的高性能要求。

(2)本发明的方法适用于所有振动模式原子力显微镜的探针振动激励，包括非接触模式和轻敲模式，以及轻敲模式的其它衍生模式：如磁力显微镜、静电力显微镜等。该方法用于轻敲模式成像时，增加了稳定的高分辨成像的实现可能性，尤其是对于柔软的样品，比如悬空的石墨烯片、凝胶状样品等，具有成像优势；用于非接触模式成像时，可提高在空气中实现非接触模式的成功率。

(3)采用本发明的激励方法，无需要求悬臂具有很高的弹性系数、共振频率和大的驱动力，降低了对设备的要求。

为了避免这种情况，通常要求悬臂具有高的弹性系数(20-60n/m)、共振频率和大的驱动力，但是这样会增加设备要求，同时在轻敲模式中还会造成成像时破坏样品的原始结构，尤其是对于柔软的样品，比如悬空的石墨烯片、凝胶状样品等，还可能破坏或移动样品，并会污染针尖，增大针尖与样品的接触面积，使稳定的高分辨成像变得更加困难。

附图说明

图1是常规afm探针振动的激励方式结构示意图；

图2是本发明实施例1中采用机械振动波激励探针振动的结构示意图；

图3是本发明实施例1中采用机械振动波激励探针振动获得的探针振动频率-振幅响应曲线；

图4是对比实施例1中采用常规的激励方式激励探针振动获得的探针振动频率-振幅响应曲线；

图5是本发明实施例1中采用机械振动波激励探针振动获得的悬空石墨烯样品形貌图；

图6是对比实施例1中采用常规的激励方式激励探针振动获得的悬空石墨烯样品形貌图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施例中，使用型号为aglient5500的原子力显微镜，原子力显微镜中有一根纳米级的探针被固定在微米级弹性悬臂上，该探针是力常数为0.1n/m的硅探针。

本实施例中，被测样品为石墨烯，该石墨烯覆盖在具有250nm深的孔洞结构的硅基底上，形成部分悬空的石墨烯样品。

如图2所示，将压电换能器固定于原子力显微镜的样品台上，将被测样品通过甘油固定于压电换能器表面；

探针位于样品上方，将探针靠近样品表面。可先利用原子力显微镜的接触模式使针尖接触样品，然后再使针尖抬高，抬高距离可设置为5um-100um。在本实施例中，设置为10um。

利用原子力显微镜产生利用函数发生器产生连续连续的正弦激励电压驱动压电换能器产生竖直方向的机械振动，探针在该机械振动波激励下发生振动。

利用原子力显微镜测试机械振动波激励下探针振动的频率-振幅响应曲线，结果如图3所示，显示利用机械振动波驱动获得的共振峰没有杂峰干扰，信噪比高。

设置压电换能器的驱动电压频率和振幅分别为11.2khz和5v，此时探针自由振动的振幅约为50nm，利用原子力显微镜轻敲模式进行成像。利用机械振动波驱动探针振动可获得清晰的形貌图像，分辨率高，如图5所示。

对比实施例1：

本实施例中，原子力显微镜、探针以及被测样品均与实施例1中的完全相同。

将被测样品置于原子力显微镜的样品台上。探针位于样品上方，将探针靠近样品表面。可先利用原子力显微镜的接触模式使针尖接触样品，然后再使针尖抬高，抬高距离可设置为5um-100um。在本实施例中，设置为10um。

如图1所示，采用压电陶瓷驱动器在函数发生器源作用下产生一个交流振动，该振动力直接作用于悬臂根部，自悬臂根部传递至探针针尖，从而驱动悬臂与整个探针振动。

利用原子力显微镜测试机械振动波激励下探针振动的频率-振幅响应曲线，结果如图4所示。从图4中可以看出，与图3相比，利用常规压电陶瓷激励下获得的共振峰存在较多杂峰干扰，信噪比低。

设置探针驱动器激励电压频率和振幅分别为11.2khz和1v，此时探针自由振动的振幅约为50nm，利用原子力显微镜轻敲模式进行成像，图像如图6所示。从图6中可以看出，与图5相比，图像模糊，有噪音。即，利用相同的探针采用常规的激励方式下激励探针振动，在轻敲模式下，相同的区域无法获得高分辨图像。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。