CN104865408A - 一种调控原子力显微镜悬臂梁共振频率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及调控原子力显微镜悬臂梁共振频率的方法和装置。该方法包括步骤：向所述原子力显微镜中的电磁铁输入驱动信号，所述驱动信号调控所述电磁铁的电磁梯度的大小和方向；改变所述驱动信号来调整所述原子力显微镜的悬臂梁的共振频率。本发明提供的方法和装置通过改变调控信号的电流大小与方向，从而改变探针测量微悬臂梁受力的大小和方向，达到改变探针测量悬臂梁的共振频率的效果，以满足不同被测样品的需求。

Description

一种调控原子力显微镜悬臂梁共振频率的方法和装置

技术领域

本发明涉及观察测量设备，更具体地说，涉及一种调控原子力显微镜悬臂梁共振频率的方法和装置。

背景技术

原子力显微镜(Atomic force microscope，AFM)最初是由美国的Binning、Quate和瑞士的Gerber于1985年共同发明的。由于其特有的高分辨成像能力、样品不受导电性限制、以及可在各种环境下成像的特点，AFM在生物医学、高分子材料、纳米材料、原子和分子操控等各领域得到了广泛应用。AFM不仅可以给出样品的表面微观形貌的结构，还可以测量出样品表面在纳米尺度上表现出的物理、化学性质，如样品的表面硬度、粘附力、摩擦学性质、磁畴分布及表面电荷等，因此AFM在界面研究方面具有十分重要的作用。

由于AFM探针悬臂梁的共振频率是出厂时基本确定，无法自行调控。当使用AFM时，被测样品的振动频率与AFM探针悬臂梁相差较大时，引起悬臂梁的振动十分微弱，精度较低，为了使AFM的测试精度较高，需要将探针的悬臂梁共振频率与被测样品的振动频率接近，所以我们需要一种调控AFM显微镜悬臂梁共振频率的方法和装置。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种调控原子力显微镜悬臂梁共振频率的方法和装置，使得悬臂梁的共振频率可调，满足不同被测样品的需求。

为此，本发明实施方式提供了一种调控原子力显微镜悬臂梁共振频率的方法，包括以下步骤：向所述原子力显微镜中的电磁铁输入驱动信号，所述驱动信号调控所述电磁铁的电磁梯度的大小和方向；改变所述驱动信号来调整所述原子力显微镜的悬臂梁的共振频率。

优选地，所述悬臂梁上设有若干磁性颗粒。

优选地，所述磁性颗粒为磁化的钕铁硼颗粒。

一种调控原子力显微镜悬臂梁共振频率的装置，包括激光发射器、探针、工作台和光检测系统，所述探针包括悬臂梁和设于所述悬臂梁上的尖端，所述探针的悬臂梁设于所述工作台的上方，其正面朝向所述工作台，背面朝向所述激光发射器；所述激光发射器发出的激光经所述探针的悬臂梁的背面反射后，进入所述光检测系统；所述悬臂梁上设有磁体，所述扫描台的下方设有磁装置。

优选地，所述磁装置包括电磁铁、以及与所述电磁铁连接的电流调控器。

优选地，所述磁体包括若干磁性颗粒。

优选地，所述磁性颗粒为磁化的钕铁硼颗粒。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：

本发明提供的一种调控原子力显微镜悬臂梁共振频率的方法和装置，在现有的原子力显微镜基础上，在探针扫描台下方添加放置磁装置，在不同强度的二阶梯度磁场内，粘有磁颗粒的探针受到的磁力不同，其弹性系数K值则不同，从而达到通过改变电磁铁的驱动信号来改变探针的共振频率的目的，以满足不同被测样品的需求。

附图说明

图1是弹簧振子模型图；

图2是原子显微镜在测量过程中，悬臂梁的振幅与振动频率的关系示意图；

图3是本发明实施方式提供的一种应用于原子力显微镜中的探针的结构示意图；

图4是本发明实施方式提供的一种应用于原子力显微镜中的工作台的结构示意图；

图5是本发明实施方式提供的调控原子力显微镜悬臂梁共振频率的装置的结构示意图；

图6是本发明实施方式中探针测量悬臂梁的共振频率与电磁铁电流大小关系图；

图7是本发明实施方式提供的一种应用于原子力显微镜中的探针加工设备的结构示意图；

图8是本发明实施方式提供的一种应用于原子力显微镜中的探针加工方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施方式做进一步说明。本发明实施方式中，通过在探针的悬臂梁上设置磁性体，这样，可以通过调控通入磁性体所处的磁场二阶梯度的大小和/或方向，实现调控探针的悬臂梁的共振频率频率的减小或增加。

下面详细结合图1论述通过调控电磁场二阶梯度的大小和/或方向来改变悬臂梁的共振频率的原理。

参见图1，图1是弹簧振子模型图。在图1中，该弹簧振子模型60包括质量为m的振子61以及劲度系数为K的轻弹簧62。振子61受到轻弹簧62的拉伸，整个模型的共振频率f(或者称共振频率)为：

$f=\sqrt{\frac{K}{m}};$

如果此时有一个外力作用到弹簧振子上，若外力向下，则弹簧的共振频率f变为：

$f=\sqrt{\frac{K-k}{m}};$

若外力作用方向向上，则其共振频率f变为：

$f=\sqrt{\frac{K+k}{m}};$

从上面的分析可以看出，当外力向下，弹簧振子的共振频率变小，外力向上，其共振频率变大。

因此，在本发明的实施方式中，可以通过调整磁场二阶梯度的大小变化，以达到调控探针作用力的大小。另外，改变电磁铁的电流方向，又可以改变钕铁硼颗粒的受力方向，从而使探针共振频率增加或减小。从图2可以看出，当策动力的频率接近物体的共振频率时，振幅达到最大值。

参见图3，图3是本发明实施方式提供的一种应用于原子力显微镜中的探针的结构示意图。在图4示出的实施方式中，该结构的应用于原子力显微镜中的探针包括悬臂梁20，悬臂梁20具有正面22和反面21。例如图3示出的反面21可以反射激光，反射激光的反射面上覆盖有反射涂层，通常反射涂层为5nm的Cr和50nm的Au。然而，尽管图3中显示悬臂梁20的反面21朝上，正面22朝下，但在实际应用中可以根据原子力显微镜的结构设置正面22和反面21。在图3示出的探针的结构中，悬臂梁20设有磁性体23，磁性体23包括若干磁性颗粒，例如磁性颗粒可以为磁化的钕铁硼颗粒。

因此，可以理解，当探针的悬臂梁受到向下的力时，共振频率减小；当受到向上的力时，共振频率增加。通过改变探针所处的磁场梯度的大小，以达到调控探针作用力的大小。另外，改变电磁铁的电流方向，又可以改变钕铁硼颗粒的受力方向，从而使探针共振频率增加或减小。

参见图4，图4是本发明实施方式提供的一种应用于原子力显微镜中的工作台的结构示意图。图4示出的应用于原子力显微镜的工作台30包括扫描台31和磁装置，磁装置设置在扫描台的下方。其中，磁装置包括电磁铁32、以及与所述电磁铁连接的电流调控器33。通过改变通入电磁铁的电流大小和方向来调控电磁铁的电磁场，从而可以改变探针所处的磁场的大小，以达到调控探针作用力的大小。另外，改变电磁铁32的电流方向，又可以改变磁性体23的受力方向，从而使探针共振频率增加或减小。

参见图5，图5是本发明实施方式提供的调控原子力显微镜悬臂梁共振频率的装置的结构示意图。图5示出的原子力显微镜包括激光发射器10和光检测系统40，还包括上述实施方式中涉及的探针和工作台30。其中，探针的悬臂梁20设于工作台30的上方，悬臂梁20的正面22朝向工作台30，背面21朝向激光发射器10。这样，激光发射器10发出的激光经所述探针的悬臂梁的背面反射后，进入所述光检测系统40。

参见图6，图6是本发明实施方式中探针测量微悬臂梁的共振频率与电磁铁电流大小关系图。在图6中，曲线Q01对应的电压为900mV，曲线Q02对应的电压为800mV，曲线Q03对应的电压为100mV，曲线Q04对应的电压为0mV。因此，当电磁铁两端电压逐渐增大，微悬臂梁受到的磁力也增大，那其共振频率在逐渐减小。

此外，本发明实施方式还公开了一种应用于原子力显微镜中的探针加工设备和方法。

参见图7，图7是本发明实施方式提供的一种应用于原子力显微镜中的探针加工设备的结构示意图。图7示出的一种应用于原子力显微镜中的探针加工设备80包括可三维移动的第一微调支架81和第二微调支架82。其中，所述第一微调支架81上安装有第一支撑棒83，所述第一支撑棒83上安装有探针；所述第二微调支架82上安装有第二支撑棒84，所述第二支撑棒84上安装有玻璃纤维棒85。这样，可以分别调整探针和玻璃纤维棒85在左右、前后、上下三个方向，具有微调作用。

由于探针难以固定，可以通过探针粘贴板(图中未示出)固定。探针粘贴板包括一块硅片，硅片上面粘一层双面胶。在操作时，将探针的基座粘在上方，加工完成后，便可由镊子轻易取下。玻璃纤维棒85可以是一根直径3-5um，长度大于100um的玻璃纤维，由美国Sutter公司的p-30垂直微电拉制仪制作，其工作原理是由中间的加热丝把玻璃棒加热到熔点，然后通过重力和电磁力把玻璃棒从中间拉断，形成微米级的玻璃纤维棒。

参见图8，图8是本发明实施方式提供的一种应用于原子力显微镜中的探针加工方法的流程示意图。图8示出的加工方法包括步骤S901-S903，可以使用图7示出的加工设备完成操作。

在步骤S901中，通过粘有若干光胶滴的玻璃纤维棒，将光胶滴转移到探针的悬臂梁上。

具体而言，用一根未拉制的玻璃棒，在其一端垂直粘结一块1cm*1cm的硅片，作为放置探针的固定器。我们把探针针尖所在的一面称之为正面，另一面(即被激光光斑照射的一面)称之为背面。然后在硅片上贴一层双面胶，再把探针正面朝上放在双面胶上，探针即可固定。

然后再拉制一根玻璃纤维，其拉断的一端直径约3-5um，另一端插在夹持器上，然后在一块干净的玻璃片上滴上一滴光胶，然后手持玻璃夹持器，使玻璃纤维斜插入光胶内，使得玻璃纤维上粘有光胶，然后把玻璃纤维夹持器固定在三维微调支架上。

在立体显微镜下观察，摆放时要先保证探针在显微镜视场的中间，使得粘有光胶的玻璃纤维平行于悬臂梁表面并使其在悬臂梁的上方。选择一滴大小适中的光胶，然后使得该光胶滴落在悬臂梁上，然后再缓慢撤去玻璃纤维棒即可。光胶滴就从玻璃纤维棒转移到悬臂梁，为下一步粘附钕铁硼颗粒做准备。

在步骤S902中，将粘附在玻璃棒上的金属体落入所述悬臂梁上的光胶滴内后进行固化。其中，金属体为钕铁硼颗粒。

具体而言，首先将玻璃纤维支撑棒从三维微调装置上取下，用干燥的纸巾将玻璃纤维上的光胶擦干，然后将此玻璃纤维棒在钕铁硼颗粒粉末中轻轻碰触，则玻璃纤维棒上粘有钕铁硼颗粒。再将附有钕铁硼颗粒的玻璃纤维棒上选择一颗与光胶滴大小相近的钕铁硼颗粒，慢慢落到悬臂梁上的光胶滴中，再慢慢撤去玻璃纤维棒，完成钕铁硼颗粒与光胶滴的结合。

在完成钕铁硼与胶滴结合后，需要让光胶滴固化。通过紫外固化枪，使其枪口对准粘合处，且距离粘合处约1cm。打开紫外固化枪，照射粘合处约5分钟后关闭，光胶滴即可固化。

在步骤S903中，对所述悬臂梁上的金属体进行磁化。由于钕铁硼颗粒需要经过充磁，才具有磁性。探针较小，需要先制作一个充磁安放台，选用一块约2cm*2cm的硅片12，将一玻璃棒11粘结在上方，硅片上方同样粘一层双面胶。在将钕铁硼微粒固定在探针悬臂梁上后，用镊子从探针粘贴板5取下探针13，将探针基座粘在充磁安放台上，再将其放在充磁机上，完成充磁。

在完成充磁后，便完成了探针的加工。对于一根探针，其共振频率根据磁力的大小变化规律是固定的，所以每一根探针优选进行编号，并绘制出其共振频率-电磁铁电流曲线。

从上面的实施方式可以看出，本发明实施方式提供的探针及加工方法、工作台、原子力显微镜和探针加工设备通过探针上设置磁性体，从而达到通过改变电磁铁的驱动信号来改变探针的共振频率的目的，以满足不同被测样品的需求。

应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。

Claims (7)

1.一种调控原子力显微镜悬臂梁共振频率的方法，其特征在于包括以下步骤：

向所述原子力显微镜中的电磁铁输入驱动信号，所述驱动信号调控所述电磁铁的电磁梯度的大小和方向；

改变所述驱动信号来调整所述原子力显微镜的悬臂梁的共振频率，使得所述悬臂梁的共振频率等于所述原子力显微镜的探针的尖端扫描样品的频率。

2.根据权利要求1所述的一种调控原子力显微镜悬臂梁共振频率的方法，其特征在于：所述悬臂梁上设有若干磁性颗粒。

3.根据权利要求2所述的一种调控原子力显微镜悬臂梁共振频率的方法，其特征在于：所述磁性颗粒为磁化的钕铁硼颗粒。

4.一种调控原子力显微镜悬臂梁共振频率的装置，包括激光发射器、探针、工作台和光检测系统，所述探针包括悬臂梁和设于所述悬臂梁上的尖端，所述探针的悬臂梁设于所述工作台的上方，其正面朝向所述工作台，背面朝向所述激光发射器；所述激光发射器发出的激光经所述探针的悬臂梁的背面反射后，进入所述光检测系统；其特征在于：所述悬臂梁上设有磁体，所述扫描台的下方设有磁装置。

5.根据权利要求4所述的一种调控原子力显微镜悬臂梁共振频率的装置，其特征在于：所述磁装置包括电磁铁、以及与所述电磁铁连接的电流调控器。

6.根据权利要求4所述的一种调控原子力显微镜悬臂梁共振频率的装置，其特征在于：所述磁体包括若干磁性颗粒。

7.根据权利要求6所述的一种调控原子力显微镜悬臂梁共振频率的装置，其特征在于：所述磁性颗粒为磁化的钕铁硼颗粒。