CN101424611A - 探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体 - Google Patents

Abstract

本发明探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体涉及扫描探针显微镜，包括探针、样品、振子、定位器，定位器设置于探针与振子之间，探针指向固定于振子上的样品。定位器由XYZ定位压电管及分别设置在其两端的探针座和振子座构成，探针与振子分别固定在探针座与振子座上。探针是分立的无微杆探针。振子为压电振子、晶体振子、石英晶振片或石英微叉。本发明的有益效果为：可使用分立的无微杆探针，如性能优越的STM探针；探针成本大大降低，利于性能更好扫描力显微镜的出现和普及；使用高品质因子的晶体振子能提高频率分辨率和测量精度；在定位器与振子间增设辅助振子还可获得小振幅振荡，提高短程力测量灵敏度和原子分辨能力。

Description

探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体

技术领域

本发明涉及扫描探针显微镜，具体说是一种探针固定而样品振荡型扫描力显微镜镜体。

背景技术

现有的扫描力显微镜(scanning force microscope，简称SFM)，包括原子力显微镜和磁力显微镜等，其探针(tip)都是固定于探针微杆(cantilever)的一端，并随探针微杆的振荡而振荡，而样品是不振荡的。探针与样品间的作用力变化由探针微杆的振荡频率的变化给出。这导致四个重大难题：(1)探针和探针微杆的集成非常困难，通常要用到微加工和光刻技术，导致其成本高到难以忍受。例如：压阻(piezo-resistive)探针的价格就高达捌佰元人民币一枚。这使得SFM虽已强大到具有亚原子分辨能力，但其应用与普及大大受限。(2)更重要的是，价廉物美的探针并不是没有，如扫描隧道显微镜(scanning tunnelingmicroscope，简称STM)的探针，不仅制作容易，也更尖锐、更有优越性，但却难为SFM所用，因为现有SFM都离不开探针微杆，而探针微杆很细小，将腐蚀好的分立的STM探针固定到细小的探针微杆上是很困难的。如果能摆脱SFM对探针微杆的依赖，就不需专门研制新型SFM探针，直接就能使用如STM探针等各种已有的、技术成熟、性能优越的探针，使SFM迅速普及。(3)传统SFM使用探针微杆产生的振荡一般品质因子Q不高，不利于获得很高的测量灵敏度。(4)传统SFM使用探针微杆产生的振荡一般振幅较大，不利于获得很高的短程力测量灵敏度，而短程力测量灵敏度的下降直接降低SFM的原子分辨能力。

发明内容

为了克服现有技术中扫描力显微镜探针制作困难，且又不能使用无微杆探针的难题，提供一种探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体。

本发明克服现有技术中扫描力显微镜探针制作困难和不能使用无微杆探针的技术方案是：

本发明探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体，包括探针、样品、振子、定位器，定位器设置于探针与振子之间，探针指向固定于振子上的样品。

所述的定位器由XYZ定位压电管以及分别设置在其两端的探针座和振子座构成，探针固定在探针座上，振子固定在振子座上。

所述的探针是分立的无微杆探针。

所述的振子是压电振子。

所述的压电振子是晶体振子。

所述的晶体振子是石英晶振片或石英微叉。

所述的定位器与振子之间增设辅助振子。

所述的辅助振子是压电振子。

本发明探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体的工作原理为：

样品固定于振子上，探针指向样品，探针与样品间的位置调节由定位器完成。因为振子是驱动样品振荡，而探针不振，所以探针可以是无微杆的分立探针。现有技术中样品对振荡探针的作用力的变化导致探针振荡的本征频率发生变化；对该频率变化进行测量可获得成像信号。本发明利用作用力与反作用力原理：探针对振荡样品的反作用力的变化也能导致样品振荡的本征频率发生变化，通过测量该频率的变化获得成像信号。

传统SFM使用探针微杆的好处是能利用微杆的低倔强系数K来降低振荡频率，从而提高探针测量力的变化的灵敏度，但也有两个缺点：(1)微杆振荡的品质因子Q不高，从而降低探针测量力的变化的灵敏度；(2)微杆振荡的振幅较大，导致探针测量短程力的灵敏度下降，不利于原子分辨。本发明振荡样品的振子可选用晶体振子，其倔强系数K虽比微杆的高1到2个量级，对测量灵敏度不利，但好处是：(1)其品质因子Q(可达10⁶)远远大于微杆的品质因子(几千)，大大有利于提高测量灵敏度，完全是利大于弊；(2)其振幅较小，有利于提高短程力测量的灵敏度，提高原子分辨质量。

现代晶体振子极高的振荡品质因子已被成功用于精确测量纳米级超薄薄膜的厚度，其频率分辨能力远高于SFM原子成像所需的约0.1赫兹的频率分辨率，将比传统使用探针微杆的SFM具有更高的灵敏度与精度。由于探针不需要固定在探针微杆上，原则上可以使用任何形式的探针，包括STM探针。

上述定位器与振子之间可增设辅助振子来带动振子振动。辅助振子的作用是：(1)使振子起振容易，振幅易控，(2)可获得小振幅振荡，有利于提高短程力的测量灵敏度，改善原子分辨成像质量。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)可以使用无微杆的分立探针，如更尖锐、针形更好的STM探针，制成性能更好的SFM。

(2)探针成本大大降低，有利于SFM的迅速普及。

(3)使用晶体振子时的品质因子高于传统使用探针微杆的品质因子，有利于更灵敏SFM的出现。

(4)有利于获得小振幅振荡，提高短程力的测量灵敏度，从而提高原子分辨能力。

附图说明

图1是本发明基本型探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体的结构示意图。

图2是本发明使用XYZ定位压电管的探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体的结构示意图。

图3是本发明使用石英微叉振子的探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体的结构示意图。

图4是本发明增设辅助振子的探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体的结构示意图。

图中标号：1 探针、2 样品、3 振子、4 定位器、5 探针座、6 振子座、7 XYZ定位压电管、8 石英微叉振子、9 辅助振子。

以下通过具体实施方式，结构附图对本发明作进一步描述

具体实施方式

实施例1：基本型探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体。

图1是基本型探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体的结构示意图，定位器4设置于探针1与振子3之间，探针1指向固定于振子3上的样品2。

工作时，定位器4用于探针1与样品2之间的定位、扫描、以及探针-样品间隙调节。探针1与样品2间作用力的变化由振子动态本征频率的变化给出。

实施例2：使用XYZ定位压电管的探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体。

上述实施例1中的定位器4由XYZ定位压电管7以及分别设置在其两端的探针座5和振子座6构成，如图2，振子3固定在振子座6上，探针1固定在探针座5上并指向固定在振子3上的样品2，这样XYZ定位压电管7便可完成探针1与样品2之间的定位、扫描、以及探针-样品间隙调节。探针1与样品2间作用力的变化由振子动态本征频率的变化给出。

实施例3：使用石英微叉振子的探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体。

上述实施例中的振子3可以是压电振子，以晶体振子特别是石英振子为佳。石英振子又可为片状或微叉型(tuning fork)。图3是使用石英微叉振子8的探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体的结构示意图。

实施例4：增设辅助振子的探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体。

上述实施例中的定位器4与振子3之间也可增设辅助振子9，从而可由辅助振子9带动振子3振动，具体结构见图4。辅助振子9可使振子3的振幅易控，起振容易；可获得小振幅振荡，提高短程力的测量灵敏度，改善原子分辨能力。辅助振子9可以是压电振子。

Claims (8)

1、一种探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体，包括探针、样品、振子、定位器，其特征在于定位器设置于探针与振子之间，探针指向固定于振子上的样品。

2，根据权利要求1所述的探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体，其特征在于所述的定位器由XYZ定位压电管以及分别设置在其两端的探针座和振子座构成，探针固定在探针座上，振子固定在振子座上。

3，根据权利要求1所述的探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体，其特征在于所述的探针是分立的无微杆探针。

4、根据权利要求1所述的探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体，其特征在于所述的振子是压电振子。

5、根据权利要求4所述的探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体，其特征在于所述的压电振子是晶体振子。

6、根据权利要求5所述的探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体，其特征在于所述的晶体振子是石英晶振片或石英微叉。

7、根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体，其特征在于所述的定位器与振子之间增设辅助振子。

8、根据权利要求7所述的探针固定而样品振荡型无微杆扫描力显微镜镜体，其特征在于所述的辅助振子是压电振子。

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