一種高次諧振型石英音叉微懸臂及制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及原子力顯微術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高次諧振型石英音叉微懸臂及制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]不斷提高空間分辨率、數(shù)據(jù)采集速度以及實(shí)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-frequency AFM,MF-AFM)，即在多個(gè)頻率下激勵(lì)和/或探測微懸臂探針的振動(dòng)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)樣品表征等，這些振動(dòng)頻率通常與微懸臂的高次諧波振動(dòng)或多個(gè)本征模式有關(guān)。
[0003]目前石英音叉微懸臂，與傳統(tǒng)硅微懸臂相比，有許多不可比擬的優(yōu)勢(shì):(I)石英音叉的彈性常數(shù)k值很大，可以將針尖與樣品間的距離很穩(wěn)定的控制在1nm以內(nèi)，抗干擾能力非常好；(2)石英音叉的品質(zhì)因數(shù)Q非常高，工作時(shí)的功耗非常低；(3)石英音叉的頻率穩(wěn)定性很好，在大氣環(huán)境下，當(dāng)探針?biāo)幍臏囟茸兓?0°C時(shí)，微懸臂的振動(dòng)頻率會(huì)產(chǎn)生35Hz的變化，而石英音叉的頻率變化僅為微懸臂變化的百分之一；(4)物美價(jià)廉，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，并且粘接探針時(shí)操作性很強(qiáng)。因此，將石英音叉作為微懸臂在原子力顯微術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用，如近些年備受許多研究專家關(guān)注的qPlus AFM，其核心就是利用石英音叉作為力傳感系統(tǒng)。
[0004]圖1示出了現(xiàn)有的石英音叉的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，B為石英音叉本體的長度，D為石英音叉本體的厚度，L為石英音叉臂的長度，W為石英音叉臂的寬度，h為石英音叉臂的厚度。qPlus技術(shù)，是將石英音叉的一個(gè)整臂固定在藍(lán)寶石基座上，而另一臂懸空，相當(dāng)于傳統(tǒng)原子力顯微鏡探針系統(tǒng)的微懸臂，然后將腐蝕的探針垂直地粘接在懸空的音叉臂端頭。以 AB38T 型石英音叉為例，8 = 574(^111，0 = 13744111兒=35884111，￥=2484111，振動(dòng)臂的厚度11為585μηι，固定臂的厚度h為585μηι，振動(dòng)臂與固定臂之間的間隙為204μηι，即振動(dòng)臂的厚度h、固定臂的厚度h和振動(dòng)臂與固定臂之間的間隙之和等于石英音叉本體的厚度D。
[0005]傳統(tǒng)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(lì)和探測，而基頻外的頻率通常較高且信號(hào)強(qiáng)度小于基頻部分，因此都被忽略了，導(dǎo)致包含在其它頻率部分相互作用力的信息也丟失了。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:現(xiàn)有的微懸臂忽略高頻相互作用力下的信號(hào)，忽略了待測樣品高頻信號(hào)中包含的性質(zhì)的問題。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了如下技術(shù)方案:
[0008]—種高次諧振型石英音叉微懸臂，包括:
[0009]石英音叉本體；
[0010]所述石英音叉本體包括音叉基部、振動(dòng)臂和固定臂；
[0011]所述振動(dòng)臂和固定臂均與所述音叉基部相連；
[0012]所述振動(dòng)臂的厚度比所述固定臂的厚度小dmm，所述振動(dòng)臂的厚度、所述固定臂的厚度和所述振動(dòng)臂與所述固定臂之間的間隙之和等于所述石英音叉本體的厚度，以使所述高次諧振型石英音叉微懸臂的高階本征頻率是基礎(chǔ)頻率的整數(shù)倍；
[0013]其中，d大于O且小于所述固定臂的厚度。
[0014]可選地，所述振動(dòng)臂從遠(yuǎn)離所述固定臂的一側(cè)到靠近所述固定臂的一側(cè)的厚度比所述固定臂的厚度小d mm。
[0015]可選地，d大于O且小于所述固定臂的厚度的一半。
[0016]可選地，所述音叉基部、振動(dòng)臂和固定臂為一體成型。
[0017]一種原子力顯微鏡，包括上述高次諧振型石英音叉微懸臂。
[0018]—種高次諧振型石英音叉微懸臂的制作方法，包括:
[0019]對(duì)現(xiàn)有的石英音叉進(jìn)行切割加工或直接加工制作高次諧振型石英音叉微懸臂，改變石英音叉的質(zhì)量分布，以使所述高次諧振型石英音叉微懸臂的高階本征頻率是基礎(chǔ)頻率的整數(shù)倍。
[0020]可選地，所述對(duì)現(xiàn)有的石英音叉進(jìn)行切割加工，包括:
[0021]在石英音叉本體的振動(dòng)臂上切除質(zhì)量塊，以使所述振動(dòng)臂的厚度比所述固定臂的厚度小dmm，切除的所述質(zhì)量塊的長度與所述音叉本體的長度相等，以使所述高次諧振石英音叉微懸臂的高征本階頻率是基礎(chǔ)頻率的整數(shù)倍；
[0022]其中，d大于O且小于所述固定臂的厚度。
[0023]可選地，所述在石英音叉本體的振動(dòng)臂上切除質(zhì)量塊，包括:
[0024]在石英音叉本體的振動(dòng)臂上遠(yuǎn)離固定臂的一側(cè)切除長方體質(zhì)量塊。
[0025]可選地，d大于O且小于所述固定臂的厚度的一半。
[0026]本發(fā)明提出的高次諧振型石英音叉微懸臂及制作方法，調(diào)諧了高階本征模式的振蕩頻率與基頻的耦合，可以實(shí)現(xiàn)除基頻外更多頻率信號(hào)的探測，能夠提供很高的靈敏度和分辨率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)樣品在基頻下的形貌成像和高次力梯度的成像，從而實(shí)現(xiàn)針尖與樣品間力的非線性以及樣品更多物性的探測和研究。
【附圖說明】
[0027]通過參考附圖會(huì)更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖是示意性的而不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明進(jìn)行任何限制，在附圖中:
[0028]圖1示出了現(xiàn)有的石英音叉的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的高次諧振型石英音叉微懸臂的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖3示出了現(xiàn)有的石英音叉微懸臂與本發(fā)明的高次諧振型石英音叉微懸臂在同樣大小作用力下的傳遞函數(shù)曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0032]圖2示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的高次諧振型石英音叉微懸臂的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3示出了現(xiàn)有的石英音叉微懸臂與本發(fā)明的高次諧振型石英音叉微懸臂在同樣大小作用力下的傳遞函數(shù)曲線。
[0033]如圖2所示，該高次諧振型石英音叉微懸臂包括:
[0034]石英音叉本體I;
[0035]石英音叉本體I包括音叉基部11、振動(dòng)臂12和固定臂13;
[0036]振動(dòng)臂12和固定臂13均與音叉基部11相連；
[0037]振動(dòng)臂12的厚度比固定臂13的厚度小dmm，振動(dòng)臂12的厚度、固定臂13的厚度和振動(dòng)臂12與固定臂13之間的間隙之和等于石英音叉本體I的厚度，以使所述高次諧振石英音叉微懸臂的高階本征頻率是基礎(chǔ)頻率的整數(shù)倍；
[0038]其中，d大于O且小于固定臂13的厚度。
[0039]基頻外高頻信號(hào)成功提取的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)特殊的微懸臂探針，調(diào)諧微懸臂探針的高階本征頻率與基礎(chǔ)模式頻率成整數(shù)倍關(guān)系，基于共振放大效應(yīng)，大幅提高高頻信號(hào)的信噪比，可以實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)的探測，獲得材料更多物性的表征。
[0040]本實(shí)施例的高次諧振型石英音叉微懸臂，調(diào)諧了高階本征模式的振蕩頻率與基頻的耦合，可以實(shí)現(xiàn)除基頻外更多頻率信號(hào)的探測，能夠提供很高的靈敏度和分辨率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)樣品在基頻下的形貌成像和高次力梯度的成像，從