原子力显微镜探针及其制作方法与流程

本申请涉及原子力显微技术领域，特别是涉及一种原子力显微镜探针及其制作方法。

背景技术：

原子力显微镜(atomicforcemicroscope，afm)通常使用一个一端固定而另一端带有针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌或其他表面性质的。当样品或针尖扫描时，同距离有关的针尖样品间相互作用力就会引起微悬臂发生形变。一束激光照射到微悬臂的背面以将激光束反射到一个光电检测器，检测器不同象限接收到的激光强度差值同微悬臂的形变量会形成一定比例关系，因而可以用来检测力。目前，大气环境afm通常使用基于激光位置检测的微悬臂探针，其检测装置较为精密、成本较高、操作复杂。

与基于激光位置检测的微悬臂探针相比，基于石英音叉(qtf)的自感应型afm探针则具有可以自激发和自检测的特点，因而结构简单、使用方便。在基于qtf的afm探针中，用于力测量的针尖通常采用钨(w)或铂/铱(ptir)金属细丝、通常电化学刻蚀的方式形成尖锐的针尖，然后粘接到qtf的一个臂的自由端。为了在表面轮廓测量中获得高灵敏度，afm探针的机械振动必须具有较高的品质因子(q值)。

传统技术方案中，如果针尖的质量(包括粘胶用量)很小(如采用纤维来制作针尖)，同时采用再平衡技术，则可在一定程度上提高qtf探针的q值(如达到2000或更高)。但是，qtf探针的针尖采用金属为材料时，目前其探针针尖的长度通常不能大于1.5mm。在针尖长度较长时(如3.5mm左右)，如何得到振动特性优良的afm探针(q值到达1000或更高)，目前缺乏有效的技术或制作方法。

技术实现要素：

基于此，本申请提供一种原子力显微镜探针及其制作方法，以使得在探针针尖的长度较长时，仍能得到振动特性优良的afm探针。

一种原子力显微镜探针的制作方法，包括：

获取原子力显微镜探针的q值随针尖长度的变化曲线；

根据所述变化曲线，确定所述针尖长度的取值范围；

根据所述针尖长度的取值范围，确定音叉的尺寸参数和平衡调节装置的尺寸参数；

将所述针尖固定于所述音叉的第一叉臂的自由端，并将所述平衡调节装置固定于所述音叉的第二叉臂的自由端。

在其中一个实施例中，所述根据所述变化曲线，确定所述针尖长度的取值范围的步骤包括：

根据所述变化曲线，获取所述原子力显微镜探针的q值异常下降段和正常段，以使得所述针尖长度的取值范围在所述正常段内。

在其中一个实施例中，所述针尖为金属材料，所述针尖长度为2.5mm至4.0mm。

在其中一个实施例中，所述音叉的第一叉臂的质量为所述针尖的质量10倍至25倍，所述平衡调节装置的质量与所述针尖的质量相同或相近。

在其中一个实施例中，所述将所述针尖固定于所述音叉的第一叉臂的自由端，并将所述平衡调节装置固定于所述音叉的第二叉臂的自由端的步骤之后包括：

对所述平衡调节装置进行微量调控，直至所述原子力显微镜探针的q值达到预设值。

在其中一个实施例中，所述对所述平衡调节装置进行微量调控的步骤包括：

在所述平衡调节装置上截取至预设长度。

在其中一个实施例中，所述对所述平衡调节装置进行微量调控的步骤包括：

将预设量的固化胶添加至所述音叉的第二叉臂的自由端。

在其中一个实施例中，所述将所述针尖固定于所述音叉的第一叉臂的自由端，并将所述平衡调节装置固定于所述音叉的第二叉臂的自由端的步骤之后包括:

提供支架基板；

将所述音叉的基部固定于所述支架基板。

在其中一个实施例中，所述针尖固定于所述音叉的第一叉臂的自由端的方式为垂直力模式、剪切力模式或者成预设角度固定模式。

一种原子力显微镜探针利用上述实施例中任一项所述的原子力显微镜探针的制作方法制备完成。

上述原子力显微镜探针的制作方法，包括获取原子力显微镜探针的q值随针尖长度的变化曲线。所述变化曲线中包含了qtf不同的振动模式。根据所述变化曲线，确定所述针尖长度的取值范围，实现了根据附加质量和振动模式对afm中qtf探针在不同针尖长度下的q值变化规律对探针结构的优化。根据所述针尖长度的取值范围，确定音叉的尺寸参数和平衡调节装置的尺寸参数。将所述针尖固定于所述音叉的第一叉臂的自由端，并将所述平衡调节装置固定于所述音叉的第二叉臂的自由端。本申请巧妙地利用了qtf的机械共振的特征和变化规律并采用适当的方法实现了q值的调控，在探针针尖的长度较长时仍能够获得其q值的极大值，从而得到振动特性优良的afm探针。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个实施例提供的原子力显微镜探针的制作方法流程图；

图2为本申请另一个实施例提供的q值随针尖长度的变化曲线图；

图3为本申请一个实施例提供的原子力显微镜探针的结构示意图；

图4为本申请一个实施例提供的探针针尖的粘合方式示意图；

图5为本申请一个实施例提供的q值调节效果测试图。

主要元件附图标号说明

10、针尖；20、音叉；21、第一叉臂；22、第二叉臂；23、基部；30、平衡调节装置；31、固化胶；40、支架基板；50、电极引线。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一获取模块称为第二获取模块，且类似地，可将第二获取模块称为第一获取模块。第一获取模块和第二获取模块两者都是获取模块，但其不是同一个获取模块。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参见图1，本申请提供一种原子力显微镜探针的制作方法。所述原子力显微镜探针的制作方法包括：

s10，获取原子力显微镜探针的q值随针尖长度的变化曲线。

步骤s10中，根据已有的相关理论和通常认知，石英音叉在其最平衡的情况下应该表现出最佳的机械振动的性能(即q值的极大值)。然而，根据所述变化曲线我们发现，实验中再平衡音叉探针的最佳性能的出现与上述认知结果总是存在一定偏移。换句话说，音叉探针在其最对称的情况下并不总是能够得到最高q值的性能；特别地，在针尖质量较大的情况下，探针在其最对称的情况下并不会得到最高q值的性能。例如，在针尖较短(如小于1mm)时，基本上(在实验误差范围内)可以说在其最对称的情况下都可以得到最高q值的性能。例如，如图2所示，无论另一侧的针尖10的附加质量如何(即使是在理想平衡情况下)，所有qtf探针的q值在特定针尖附加质量条件下(如针尖10长度为2.1mm处)都会显著下降。就是说，只要任意一侧针尖10达到特定长度，这种q值剧烈下降的情况就会发生。而这里的剧烈下降的特殊点的出现是由音叉20自身的属性决定的。音叉探针的q值变化显示出分段特性(非单调函数)。每一段数据的共振频率也会表现出分段特性(非单调函数)。因此，本实验中的现象是包含了qtf不同的振动模式，每个振动模式对应一段曲线(频率的变化规律不同)。可见，qtf振动模式之间存在机械振动模式的简并，导致振动性能的变化，表现为该图中q值变化曲线上的突变和异常下降(在针尖10长度为1.6-2.2mm区间内)。此时可以将所述曲线划分为异常下降段和正常段。

可以理解的是，所述曲线中可能包括多个异常下降段。并且，当所述针尖10的材料不同时，所述异常下降段对应的针尖10长度也会不同。

s20，根据所述变化曲线，确定所述针尖10长度的取值范围。

步骤s20中，可以根据所述变化曲线确定所述原子力显微镜探针的q值异常下降段和正常段，进而，在选取所述针尖10长度时，选择正常段对应的针尖10长度。

可选地，所述针尖10通常采用金属制作，材料为钨(w)或铂/铱(ptir)的金属细丝(截面直径约0.05mm-0.1mm)。其尖端通常电化学刻蚀的方式形成尖锐的针尖10前端，也可采用机械剪切形成尖锐的针尖10前端。所述针尖10为金属材料时，所述针尖长度为2.5mm至4.0mm。在其中一个可选地实施例中，当所述针尖10采用直径为0.1mm的钨丝时，所述针尖10长度为3mm至4mm。优选地，所述针尖10长度为3.5mm。当然，所述针尖10的材料也可以为玻璃或其他材料。

s30，根据所述针尖10长度的取值范围，确定音叉20的尺寸参数和平衡调节装置30的尺寸参数。

步骤s30中，所述音叉20包括第一叉臂21、第二叉臂22以及基部23。qtf探针利用音叉20本身的压电效应实现机械振动与振荡电信号互相转换，具有非常好的频率稳定性，同时也具备极高的品质因数(即q值)。音叉20本身的压电效应即可完成机械振动与电信号的转换，检测样品表面信息不需要经过光杠杆法，省去了光学器件以及光路校准过程。由于qtf自身具有压电效应，所以可以免除悬臂探针所需的压电振荡器，且通过电路可以做到自激励自感应驱动。

在一个可选的实施例中，本申请制备qtf探针所用的石英音叉的原材料是圆柱形的、中心频率为32.768khz的石英晶振，这种晶振常用于电子表。所述晶振去壳前的外径为3mm、长度为8mm。所述晶振去壳后，宽度为1.52mm、厚度为0.38mm、长度为6.02mm。由所用的商用qtf(32.768khz，10ppm，yt-38，yxc)以及钨制针尖10的主要尺寸参数，可以估算出音叉臂和探针针尖10的质量。通常，音叉臂的质量需明显大于针尖10质量，两者相差可达约20倍。可选地，所述音叉20的第一叉臂21的质量为所述针尖10的质量10倍至25倍。因此音的叉臂是振动主体，振动研究中的振子将依然主要基于音叉臂。探针对于振动的改变可以近似等价于在音叉臂上增加了微小的附加质量。

所述平衡调节装置30可以为平衡金属丝。为实现质量再平衡，所用金属细丝的规格(材质、直接和长度等)通常与金属针尖10在完成尖端处理后的规格大致相同。所述平衡调节装置30也可不为金属丝，而是用等质量的树脂胶替代，只要可以达到同样的质量再平衡的效果即可。

s40，将所述针尖10固定于所述音叉20的第一叉臂21的自由端，并将所述平衡调节装置30固定于所述音叉20的第二叉臂22的自由端。

步骤s40中，采用环氧树脂或其它粘合剂将针尖10粘接到qtf的一个音叉臂的自由端。在其中一个可选的实施例中，所述针尖10固定于所述音叉20的第一叉臂21的自由端的方式为垂直力模式、剪切力模式或者成预设角度固定模式。为了实现两个音叉臂的附加质量的再平衡，在未安装针尖10的音叉臂上用环氧树脂粘接一段金属细丝。

本实施例中，上述原子力显微镜探针的制作方法，包括获取原子力显微镜探针的q值随针尖10长度的变化曲线。所述变化曲线中包含了qtf不同的振动模式。根据所述变化曲线，确定所述针尖10长度的取值范围，实现了根据附加质量和振动模式对afm中qtf探针在不同针尖10长度下的q值变化规律对探针结构的优化。根据所述针尖10长度的取值范围，确定音叉20的尺寸参数和平衡调节装置30的尺寸参数。将所述针尖10固定于所述音叉20的第一叉臂21的自由端，并将所述平衡调节装置30固定于所述音叉20的第二叉臂22的自由端。本申请巧妙地利用了qtf的机械共振的特征和变化规律并采用适当的方法实现了q值的调控，在探针针尖10的长度较长时仍能够获得其q值的极大值，从而得到振动特性优良的afm探针。

在其中一个实施例中，步骤s40之后包括：

对所述平衡调节装置30进行微量调控，直至所述原子力显微镜探针的q值达到预设值。可选地，微量调控的一种方法为，在所述平衡调节装置30上截取至预设长度。即调控平衡金属丝的长度。在平衡金属丝的末端上每次小心地去除一小段(约0.1mm)，使其长度和有效质量发生变化；接着监测音叉20探针机械共振的q值；如果q值达到要求则可结束调控，否则再次截去一小段，直到q值满足要求。

可选地，微量调控的另一种方法为，将预设量的固化胶31添加至所述音叉20的第二叉臂22的自由端。即通过调控固化胶31的用量，达到调节再平衡音叉20附加质量的效果。一种典型的方法是采用光固化胶。具体方法如下：采用微量注射器将液态的光固化胶注射到第二叉臂22的特定位置上，每次控制所添加胶的质量，如每次添加10ug量级左右。接着监测音叉20探针机械共振的q值；如果q值达到要求则可结束调控，否则再次添加胶的用量，直到q值满足要求。另外一种典型的方法是采用热固化胶。具体方法与采用光固化胶类似，其目的是通过加热加速胶的固化以利于q值的快速调控。

在其中一个实施例中，步骤s40之后包括:

提供支架基板40。将所述音叉20的基部23固定于所述支架基板40。所述支架基板40为一块特制的电路板。所述支架基板40用于固定和支撑所述音叉20。所述支架基板40可通过环氧树脂与所述音叉20的基部23相固定，也可通过电极引线50或二者共同支撑所述音叉20。所述支架基板40上有2-4个电气连接装置，用于实现两个或者更多电信号的连通。

本申请提供一种原子力显微镜探针。所述原子力显微镜探针利用上述实施例中任一项所述的原子力显微镜探针的制作方法制备完成。

具体请参见图3，所述原子力显微镜探针包括音叉20、针尖10、平衡调节装置30、支架基板40以及电极引线50。所述针尖10长度为3mm至4mm。可选地，所述针尖10长度为3.5mm。所述音叉20包括第一叉臂21、第二叉臂22以及基部23。所述平衡调节装置30可以为平衡金属丝。采用环氧树脂或其它粘合剂将所述针尖10粘接到所述音叉20的第一叉臂21的自由端。采用环氧树脂或其它粘合剂将所述平衡调节装置30粘接到所述音叉20的第二叉臂22的自由端。所述支架基板40通过固化胶31与所述音叉20的基部23固定连接。并且所述支架基板40与所述音叉20的基部23通过电极引线50连接。

本实施例中，上述原子力显微镜探针通过获取原子力显微镜探针的q值随针尖10长度的变化曲线。所述变化曲线中包含了qtf不同的振动模式。根据所述变化曲线，确定所述针尖10长度的取值范围，实现了根据附加质量和振动模式对afm中qtf探针在不同针尖10长度下的q值变化规律对探针结构的优化。根据所述针尖10长度的取值范围，确定音叉20的尺寸参数和平衡调节装置30的尺寸参数。将所述针尖10固定于所述音叉20的第一叉臂21的自由端，并将所述平衡调节装置30固定于所述音叉20的第二叉臂22的自由端。本申请巧妙地利用了qtf的机械共振的特征和变化规律并采用适当的方法实现了q值的调控，在探针针尖10的长度较长时仍能够获得其q值的极大值，从而得到振动特性优良的afm探针。

在一个实施例中，本申请提供一种基于石英音叉的原子力显微镜探针的制作方法。基于石英音叉的原子力显微镜探针的制作分为以下5个步骤。

步骤1、准备石英音叉(qtf)及支架：

石英音叉(qtf)采用石英晶体为材料，可通过定制获得；也可采用现有的中心频率为32.768khz为的圆柱型晶振产品去壳获得。选择外径3mm、长度8mm的晶振，去壳。如果音叉20尺寸更小(如采用外径为2mm、长度为6mm的晶振)，则不能制备出达到要求的afm探针。实施例中所有音叉探针的基础制作材料均选用yxc公司(深圳杨兴科技)生产的型号为yt-38的石英音叉；实施例中所用qtf音叉20的尺寸如表1：

表1实验用石英音叉及针尖10的尺寸等参数

接着，将qtf的电极引线50焊接到支架基板40上，使qtf面垂直于支架基板40。实施例中，支架基板40采用一块约12mm*9mm*0.6mm的电路板。为了使所述支架基板40与qtf的连接更稳定，还可在支架基板40侧面凹槽位置与音叉20的基部23(包括电极引线50位置和音叉20底部侧面)之间用环氧树脂粘接起来。所述支架基板40上有2-4个电气连接装置，可将qtf的电极引出；如果需要，也可将探针的针尖10的电极信号或其它电极信号一并引出。

步骤2、粘接金属针尖10：

在所述音叉20的一个叉臂上粘接金属细丝作为针尖10。针尖10材料一般为钨，也可采用铂铱丝，直径0.05-0.1mm；初始长度约5-6mm(比尖端处理后的实际长度约长2mm以方便其尖端处理)。实例中的钨制针尖细丝的直径为0.1mm，长度约5mm。钨丝前端可以在粘接前可不做任何处理。粘接所用的粘结剂为环氧树脂(通常不导电)。为了减少粘接时胶的用量，可采用将金属丝带粘结的那一段先涂胶，然后再静置于音叉叉臂等待其粘合的方式。如果希望减小其粘合时间，可以采用光敏或热敏型的树脂，以便通过光照或加热的方式加快其粘合速度。

针尖10的粘接方式：一般采用垂直力模式(探针针尖方向与音叉臂垂直或近似垂直)，但也可采用剪切力模式(探针针尖与音叉臂平行)，或采用针尖10与音叉臂成一定角度的粘合方式。如图4所示。

在实施例中，所述针尖10的初始长度约5.5mm，直径0.1mm。

步骤3、叉臂再平衡处理：

在未安装针尖10的叉臂上用环氧树脂粘接一段金属细丝。为实现质量再平衡，所用金属细丝的规格(材质、直接和长度等)通常与金属针尖10在完成尖端处理后的规格大致相同。粘合剂可采用与针尖10粘合所用粘合剂相同，即也采用环氧树脂；也可采用其它粘合方式。也可不用金属丝，而是用大约相等质量的树脂粘胶替代，以达到同样的质量再平衡的效果。

再平衡金属细丝的粘接方向及部位必须与探针针尖的粘合方向及部位保持对称，即相对于两个音叉叉臂轴向中心旋转180度后的对称位置(也就是说在分别在两个叉臂上的粘合区域的连线刚好经过qtf的轴向中心)。这样做可以使得探针测量时所用机械振动模式尽可能地对称性，从而有利于其q值的提高。

步骤4、针尖10前端处理；

可采用电化学腐蚀法机械剪切法使针尖10前端变得较为尖锐，或获得所需要的针尖10尖端的形状和特性。对于原子力显微镜(afm)的形貌成像来说，通常将针尖10前端处理成锥形，而其最前端则近似为半球形，其半球形前端的曲率半径通常为15纳米左右，范围为5-30纳米。也可采用机械剪切法，使其前端变为为与金属细丝轴向成约30度角的斜切面。

针尖10前端处理的另一目的是使探针针尖的附加质量和形状达到特定的要求，以有助于其q值的提高。特别的，对于直径为0.1mm的针尖10，其最优长度为约3.5mm；在最终q值大于1500的要求下，其可接受的长度范围约3.0mm-4.0mm；对于长度调控的精度需达到约0.1mm，否则后续的音叉20的q值调节的难度会显著增加，甚至不能达到所要求的q值。

需要指出的是，对于不同材质的金属的针尖10，不同的针尖10直径，不同的粘接方式或不同的针尖10形状，其最优长度通常也会不同，但在大多数情况下都可找出其最优的长度或附加质量；其最优数值及范围可通过理论分析、模拟计算或实验确定。

步骤5、音叉20的q值调节。

音叉20的q值调节就是通过微量调控另一个音叉叉臂的附加质量或质心，达到q值调节和校准的效果。q值调节可采用以下2种方法，或者这两种方法的任意交替或组合。

音叉20的q值调节的第一种方法是调控再平衡用的金属细丝的长度。采用这种方法时，再平衡用的金属细丝的初始长度宜比探针的针尖10的长度略长，但如果结合第二种方法使用，则其初始长度宜比探针的针尖10的长度更短(如一半长度)。在再平衡用的金属细丝的末端上每次小心地去除一小段(约0.1mm)，使其长度和有效质量发生变化；接着监测音叉探针机械共振的q值；如果q值达到要求则可结束调控，否则再次截去一小段，直到q值满足要求。

音叉20的q值调节的第二种方法是通过调控固化胶31的用量，达到调节再平衡音叉附加质量的效果。一种典型的方法是采用光固化胶。具体方法如下：采用微量注射器将液态的光固化胶注射到再平衡音叉臂的特定位置上，每次控制所添加胶的质量，如每次添加10ug量级左右。接着监测音叉探针机械共振的q值；如果q值达到要求则可结束调控，否则再次添加胶的用量，直到q值满足要求。另外一种典型的方法是采用热固化胶。具体方法与采用光固化胶类似，其目的是通过加热加速胶的固化以利于q值的快速调控。

在实施例中，采用调控再平衡用的金属细丝的长度的方法，将基于qtf的afm探针的q值提高到了约1800。在该实施例中，针尖10为直径0.1mm的钨丝，长度约3mm。所用音叉20在原始状态下，其q值约为8000；在粘接了长度为3.5mm的探针针尖10在未采取叉臂再平衡处理、也未进行音叉20的q值调节前，其q值约500。可见，本方法可将石英音叉探针的q值提高约3.5倍。

在另一实施例中，采用调控再平衡用的金属细丝的长度的方法，以直径为0.1mm的钨丝为针尖10，对针尖10长度从1mm到4.5mm的q值调节效果进行了测试。结果如图5所示。图中空心圆圈表示调节后的q值。除了q值随着探针长度增加而降低，结果表明：再平衡及q值调节后，qtf探针相比普通qtf探针有明显更高的q值。在探针针尖未约2.1mm长度时会观察到q值的特殊的下降。除此以外，随着探针针尖长度变长，两种探针q值间的差也变大，所以探针在相对较长的情况下q值调节的效果更好。一般而言，粘有长针尖10的音叉探针的q值会相对较低，也就意味着长针尖10的音叉探针往往有更大的提升空间。因此，本申请的制备方法对于长针尖如3.5mm)的应用情景下将更加有效。未经调节的长针尖会使qtf探针的q值降低到500以下，这对于afm是无法实现高质量成像的。采用本制备方法后，可以显著提升长针尖音叉探针的性能(特别是对于长度为约3.5mm的钨丝探针)。

本实施例中，在探针的针尖10为金属材料且长度较长时(如长度为3-4mm范围内)，所制备的qtf探针仍可达到较高的q值较高(如1000以上)。从原理上来说，该制备方法可使qtf探针的反相振动模式的机械振动得到了显著增强，从而表现出较大的q值。

上述技术手段提供的这种细长型针尖10的afm探针特别适合用于静电力显微镜(electrostaticforcemicroscope，efm)中对静电力的测量成像。这是因为，这种细长型的针尖10结构能显著的增加探针的针尖10前端的局部部分对静电力检测的贡献，减小或避免探针其余各部分(如音叉叉臂或悬臂梁)所产生杂散电容的影响，从而提高efm测量成像的空间分辨率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。