高次諧振型原子力顯微鏡微懸臂及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多頻原子力顯微術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種高次諧振型原子力顯微鏡微懸臂及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自1986年發(fā)明原子力顯微鏡以來，它已成為材料、生物以及納米科技等許多領(lǐng)域的重要工具。由于常規(guī)的原子力顯微鏡成像速度緩慢，在動態(tài)過程觀測、工業(yè)生產(chǎn)線原位測量以及高密度信息存儲等領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。因此，高速發(fā)展原子力顯微術(shù)近年來已引起國內(nèi)外的高度關(guān)注。不斷提高空間分辨率、數(shù)據(jù)采集速度以及實現(xiàn)材料性質(zhì)的成像，一直以來就是原子力顯微術(shù)的發(fā)展目標(biāo)。近些年發(fā)展的多頻原子力顯微術(shù)(Mult1-frequencyAFM，MF-AFM)，即在多個振動頻率下激勵和/或探測微懸臂的探針的振動信號來實現(xiàn)樣品表征等。這些振動頻率通常與微懸臂的高次諧波振動或多個本征模式有關(guān)，為高頻部分信號的獲取提供了重要的技術(shù)手段，促進(jìn)了上述發(fā)展目標(biāo)的實現(xiàn)。
[0003]然而，現(xiàn)有的原子力顯微術(shù)僅在微懸臂的基礎(chǔ)模式頻率下進(jìn)行激勵和探測，而基礎(chǔ)模式頻率之外的頻率通常較高且信號強度遠(yuǎn)小于基礎(chǔ)模式頻率部分，因此都被忽略了，導(dǎo)致包含在高頻部分相互作用力的信息也丟失了。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種高次諧振型原子力顯微鏡微懸臂及其制作方法。其中，所述制作方法通過改變高次諧振型微懸臂的幾何質(zhì)量分布，以使得高次諧振型微懸臂的高階本征模式頻率為基礎(chǔ)模式頻率的整數(shù)倍，基于共振放大效應(yīng)，大幅度提高高頻信號的信噪比，可以實現(xiàn)高頻信號的探測，獲得材料更多物性的表征。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種高次諧振型微懸臂。所述高次諧振型微懸臂包括:固定端和自由端，所述固定端和所述自由端連成一體，所述固定端的厚度比所述自由端的厚度大d μ m，以使得所述高次諧振型微懸臂的高階本征模式頻率為基礎(chǔ)模式頻率的整數(shù)倍，其中，d為正有理數(shù)。
[0006]其中，所述自由端的長度和寬度分別與所述固定端的長度和寬度相等。
[0007]其中，所述高次諧振型微懸臂為高次諧振型硅微懸臂。
[0008]相應(yīng)地，本發(fā)明還提供一種原子力顯微鏡。所述原子力顯微鏡包括高次諧振型微懸臂。
[0009]另一方面，本發(fā)明還提供另一種高次諧振型微懸臂。所述高次諧振型微懸臂包括:固定端和自由端，所述固定端和所述自由端連成一體，所述固定端的長度為所述自由端的長度的整數(shù)倍，且所述固定端的寬度比所述自由端的寬度小b μπι，以使得所述高次諧振型微懸臂的一階扭轉(zhuǎn)模式頻率和/或二階彎曲模式頻率為基礎(chǔ)模式頻率的整數(shù)倍，其中，b為正有理數(shù)。
[0010]其中，所述自由端的厚度與所述固定端的厚度相等。[0011 ] 其中，所述高次諧振型微懸臂為高次諧振型硅微懸臂。
[0012]相應(yīng)地，本發(fā)明還提供一種原子力顯微鏡。所述原子力顯微鏡包括高次諧振型微懸臂。
[0013]相應(yīng)地，本發(fā)明還提供一種高次諧振型微懸臂的制作方法。所述方法包括:改變所述高次諧振型微懸臂的幾何質(zhì)量分布，以使得所述高次諧振型微懸臂的高階本征模式頻率為基礎(chǔ)模式頻率的整數(shù)倍。
[0014]其中，所述方法具體包括:利用微納加工技術(shù)對所述高次諧振型微懸臂進(jìn)行加工制作，以獲得所需結(jié)構(gòu)的高次諧振型微懸臂。
[0015]通過上述技術(shù)方案，讓高次諧振型微懸臂的固定端的厚度大于自由端的厚度，以使得所述高次諧振型微懸臂的高階本征模式頻率為基礎(chǔ)模式頻率的整數(shù)倍，基于共振放大效應(yīng)，大幅度提高高頻信號的信噪比，可以實現(xiàn)除基礎(chǔ)模式頻率外高頻信號的探測，能夠提供很高的靈敏度和分辨率，從而實現(xiàn)高次諧振型微懸臂的針尖與樣品之間力的非線性以及樣品更多物性的探測和研究。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明提供的高次諧振型微懸臂的第一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是現(xiàn)有的微懸臂與高次諧振型微懸臂的第一實施方式在相同作用力下的傳遞函數(shù)曲線圖；
[0018]圖3是本發(fā)明提供的高次諧振型微懸臂的第二實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖4是高次諧振型微懸臂的第二實施方式的一階扭轉(zhuǎn)模式頻率和二階彎曲模式頻率分別與基礎(chǔ)模式頻率的比隨自由端寬度變化的曲線圖；
[0020]圖5是高次諧振型微懸臂的第二實施方式在相同作用力下的傳遞函數(shù)曲線圖。
【具體實施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的【具體實施方式】僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0022]現(xiàn)有的原子力顯微術(shù)僅在微懸臂的基礎(chǔ)模式頻率下進(jìn)行激勵和探測，而基礎(chǔ)模式頻率之外的頻率通常較高且信號強度遠(yuǎn)小于基礎(chǔ)模式頻率部分，因此都被忽略了，導(dǎo)致包含在高頻部分相互作用力的信息也丟失了。因此，本發(fā)明特提供一種高次諧振型微懸臂。
[0023]本發(fā)明提供的高次諧振型微懸臂包括:固定端和自由端，所述固定端和所述自由端連成一體，所述固定端的厚度比所述自由端的厚度大dym，以使得所述高次諧振型微懸臂的高階本征模式頻率為基礎(chǔ)模式頻率的整數(shù)倍，其中，d為正有理數(shù)。具體地，所述自由端的長度和寬度分別與所述固定端的長度和寬度相等，且所述高次諧振型微懸臂為高次諧振型硅微懸臂。藉此，所述高次諧振型微懸臂的高階本征模式頻率為基礎(chǔ)模式頻率的整數(shù)倍，基于共振放大效應(yīng)，大幅度提高高頻信號的信噪比，可以實現(xiàn)除基礎(chǔ)模式頻率外高頻信號的探測，能夠提供很高的靈敏度和分辨率，從而實現(xiàn)高次諧振型微懸臂的針尖與樣品之間力的非線性以及樣品更多物性的探測和研究。
[0024]相應(yīng)地，本發(fā)明還提供一種原子力顯微鏡。所述原子力顯微鏡包括以上所述的高次諧振型微懸臂。
[0025]圖1是本發(fā)明提供的高次諧振型微懸臂的第一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，高次諧振型微懸臂的第一實施方式為臺階型高次諧振硅微懸臂。其中，自由端的厚度匕為1 μπι，自由端的寬度W為40 μm，自由端的長度12為100 μπι,固定端的長度1丨為100 μπι,固定端的寬度W為40 μπι，固定端的厚度比為1.7 μπι。
[0026]在具體的實施方式中，根據(jù)原子力顯微術(shù)常用的微懸臂，設(shè)置原始的硅微懸臂的幾何尺寸為200*40*2 μπι。然后，采用改變微懸臂幾何質(zhì)量分布的方法來實現(xiàn)臺階型高次諧振硅微懸臂的設(shè)計。在設(shè)計的過程中，通過改變微懸臂固定端和自由端的厚度，以使得微懸臂固定端的厚度大于微懸臂自由端的厚度，從而實現(xiàn)高階本征模式與基礎(chǔ)模式之間的整數(shù)耦合。具體地，利用微納加工技術(shù)對原始硅微懸臂進(jìn)行切割加工，完成臺階型高次諧振硅微懸臂的制作。需要說明的是，設(shè)計過程中，臺階型高次諧振硅微懸臂的厚度不僅要滿足頻率間的整數(shù)倍耦合，而且還要保證其上探針的易操作性及微懸臂除頻率外其它特性的適用性。經(jīng)過ANSYS軟件的分析，調(diào)諧微懸臂的高階本征模式與基礎(chǔ)模式之間的耦合關(guān)系。
[0027]圖2是現(xiàn)有的微懸臂與高次諧振型微懸臂的第一實施方式在相同作用力下的傳遞函數(shù)曲線圖。如圖2所示，橫坐標(biāo)表示歸一化微懸臂的振蕩頻率，縱坐標(biāo)表示響應(yīng)幅值(對數(shù)值)。其中，臺階型高次諧振硅微懸臂所對應(yīng)的傳遞函數(shù)曲線(頻率響應(yīng))是在微懸臂的二階彎曲模式頻率與基礎(chǔ)模式頻率(一階彎曲模式頻率)成4倍的關(guān)系下得到的，常規(guī)矩形硅微懸臂所對應(yīng)的傳遞函數(shù)曲線(頻率響應(yīng))是在微懸臂的二階彎曲模式頻率與基礎(chǔ)模式頻率(一階彎曲模式頻率)成6.27倍的關(guān)系下得到的。由圖2能夠得到，在高階本征模式頻率與基礎(chǔ)模式頻率成整數(shù)倍關(guān)系的情況下，基于共振放大效應(yīng)，能夠大幅度提高高頻信號的信噪比，能夠?qū)崿F(xiàn)高頻信號的探測。
[0028]另一方面，本發(fā)明還提供另一種高次諧振型微懸臂。所述高次諧振型微懸臂包括:固定端和自由端，所述固定端和所述自由端連成一體，所述固定端的長度為所述自由端的長度的整數(shù)倍，且所述固定端的寬度比所述自由端的寬度小b μπι，以使得所述高次諧振型微懸臂的一階扭轉(zhuǎn)模式頻率和/或二階彎曲模式頻率為基礎(chǔ)模式頻率的整數(shù)倍，其中，b為正有理數(shù)。具體地，所述自由端的厚度與所述固定端的厚度相等，且所述高次諧振型微懸臂為高次諧振型硅微懸臂。藉此，在利用調(diào)諧的高階彎曲模式實現(xiàn)高次諧振成像的同時，還可以結(jié)合扭轉(zhuǎn)諧振來實現(xiàn)更多性質(zhì)的探測。
[0029]相應(yīng)地，本發(fā)明還提供一種原子力顯微鏡。所述原子力顯微鏡包括以上另一方面所述的高次諧振型微懸臂。