原子力显微镜针尖基底微小距离控制方法
【专利摘要】本发明公开一种原子力显微镜(AFM)针尖基底距离控制的方法。调节针尖与基底接触并且压力为零，以此状态作为初始状态；控制压电陶瓷收缩，带动探针向上运动，使AFM探针的针尖离开基底，所述针尖和基底表面的水膜形成液桥，通过调节AFM的压电陶瓷的伸缩使AFM探针的悬梁臂发生相应程度的形变；根据悬梁臂发生的形变计算针尖和基底的距离。该方法利用空气中物体表面广泛存在的水膜的吸附作用力，实现针尖距离基底的微小变化的调节。该方法可用于纳米沉积加工等需要针尖距离基底很近的场合。
【专利说明】原子力显微镜针尖基底微小距离控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及纳米加工领域，具体的说是一种利用物质表面水膜的吸附作用力实现 针尖和基底微小距离的调节。
【背景技术】
[0002] 纳米器件是由纳米材料构成的电子器件，比如各种气体传感器，生物传感器，场效 应晶体管等等。纳米器件具有优异的性能，比如库仑阻塞效应等。但是目前纳米器件还没 有实现广泛的应用。这是因为纳米器件在加工制造方面还存在各种问题。其中一个就是纳 米器件的电连接问题。AFM纳米沉积加工有望用作一种纳米焊接手段，提高纳米器件各部件 的电气连接和物理固定问题。AFM沉积加工是在电场作用下发生的，而电场强度的大小受针 尖基底距离的影响剧烈，因此精确的针尖基底距离调节手段是AFM沉积加工精度的重要影 响因素。
[0003] AFM沉积加工利用的是场发射的原理。需要在针尖基底之间形成很大的电场，使 针尖表面的原子突破势垒束缚，发射到基底表面，并在表面堆积形成焊接点。这就要求针尖 距离基底不能太远，否则需要很大的电压才能提供足够强大的电场强度；同时针尖与基底 不能接触从而造成短路，否则无法建立电场。这就需要一种控制针尖基底距离在一个微小 范围的方法。但是AFM探针的结构是：针尖位于一根细长的弹性悬臂梁上。控制针尖接近 基底，就像手持一根鱼竿，而试图控制鱼竿的顶端距离水面lcm，非常困难。尤其是针尖距 离基底较近时，一些微观力开始发挥影响，比如范德华力、水膜形成的毛细吸附力等，这使 得针尖基底距离的控制更加困难。Pumarol等2005年发表在nanotechnology上的论文曾 在tapping模式AFM的基底上施加一个偏压，通过偏压形成的静电力影响tapping的振幅， 在反馈环节的作用下，压电陶瓷收缩从而使针尖基底保持一定的距离。Pumarol的方法取 得了良好的效果，但是该方法需要施加一个额外的偏压，使得操作变得复杂，另外该方法在 tapping模式下进行，tapping模式下针尖时刻处于振动之中，因此电场强度处于连续的变 化之中，不利于沉积加工。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提出一种利用针尖和基底水膜的吸 附力来实现针尖基底微小距离的控制方法。大气环境下任何物体表面都附有一层薄薄的水 膜（l-5nm厚)，本发明利用针尖和基底之间的毛细吸附力作用，变不利因素为有利因素，实 现了针尖基底距离的精确控制，并且操作简便。
[0005] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种原子力显微镜针尖基底微小距 离控制方法，包括以下步骤：
[0006] 调节针尖与基底接触并且压力为零，以此状态作为初始状态；
[0007] 控制压电陶瓷收缩，带动探针向上运动，使AFM探针的针尖离开基底，所述针尖和 基底表面的水膜形成液桥，通过调节AFM的压电陶瓷的伸缩使AFM探针的悬梁臂发生相应 程度的形变；
[0008] 根据悬梁臂发生的形变计算针尖和基底的距离。
[0009] 所述调节针尖与基底接触并且压力为零，具体为：将AFM设为contact模式，上下 移动探针使针尖与基底刚刚接触，即探针与基底接触但探针的悬臂梁并不发生变形。
[0010] 所述悬梁臂发生的形变通过以下方法获得：
[0011] 用激光照射AFM探针的悬梁臂并反射给AFM的位置传感器，AFM的激光反馈单元 根据所述位置传感器采集到的信息得到所述悬梁臂的端面偏转角，即悬梁臂发生的形变：
[0012]
【权利要求】
1. 一种原子力显微镜针尖基底微小距离控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 调节针尖与基底接触并且压力为零，以此状态作为初始状态； 控制压电陶瓷收缩，带动探针向上运动，使AFM探针的针尖离开基底，所述针尖和基底 表面的水膜形成液桥，通过调节AFM的压电陶瓷的伸缩使AFM探针的悬梁臂发生相应程度 的形变； 根据悬梁臂发生的形变计算针尖和基底的距离。
2. 根据权利要求1所述的原子力显微镜针尖基底微小距离控制方法，其特征在于，所 述调节针尖与基底接触并且压力为零，具体为：将AFM设为contact模式，上下移动探针使 针尖与基底刚刚接触，即探针与基底接触但探针的悬臂梁并不发生变形。
3. 根据权利要求1所述的原子力显微镜针尖基底微小距离控制方法，其特征在于，所 述悬梁臂发生的形变通过以下方法获得： 用激光照射AFM探针的悬梁臂并反射给AFM的位置传感器，AFM的激光反馈单元根据 所述位置传感器采集到的信息得到所述悬梁臂的端面偏转角，即悬梁臂发生的形变：
其中，P是悬臂梁的端面偏转角，U是位置传感器输出的电压信号，L1, L2, L3是激光走 过的光程，a是悬臂梁的初始倾角，Cj5是反射镜1的倾角，0位置传感器的倾角，k是常数。
4. 根据权利要求1所述的原子力显微镜针尖基底微小距离控制方法，其特征在于，所 述计算针尖基底的距离为：
其中，H是针尖基底之间的距离，D是压电陶瓷向上运动的距离，@是悬臂梁的端面偏 转角，L是悬臂梁的长度。
【文档编号】G05D3/12GK104345739SQ201310317582
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年7月25日 优先权日:2013年7月25日
【发明者】焦念东, 刘增磊, 王越超, 刘连庆 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所