CN105403734A - 高次谐振型原子力显微镜微悬臂及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高次谐振型原子力显微镜微悬臂及其制作方法。其中，所述高次谐振型微悬臂包括：固定端和自由端，所述固定端和所述自由端连成一体，所述固定端的厚度比所述自由端的厚度大dμm，以使得所述高次谐振型微悬臂的高阶本征模式频率为基础模式频率的整数倍，其中，d为正有理数。本发明提供的高次谐振型微悬臂及其制作方法，调谐了高阶本征模式频率与基础模式频率的耦合，可以实现除基础模式频率外更多频率信号的探测，能够提供很高的灵敏度和分辨率，从而实现高次谐振型微悬臂的针尖与样品之间力的非线性以及样品更多物性的探测和研究。

Description

高次谐振型原子力显微镜微悬臂及其制作方法
技术领域
本发明涉及多频原子力显微术领域，具体地，涉及一种高次谐振型原子力显微镜微悬臂及其制作方法。
背景技术
自1986年发明原子力显微镜以来，它已成为材料、生物以及纳米科技等许多领域的重要工具。由于常规的原子力显微镜成像速度缓慢，在动态过程观测、工业生产线原位测量以及高密度信息存储等领域的应用受到限制。因此，高速发展原子力显微术近年来已引起国内外的高度关注。不断提高空间分辨率、数据采集速度以及实现材料性质的成像，一直以来就是原子力显微术的发展目标。近些年发展的多频原子力显微术(Multi-frequencyAFM，MF-AFM)，即在多个振动频率下激励和/或探测微悬臂的探针的振动信号来实现样品表征等。这些振动频率通常与微悬臂的高次谐波振动或多个本征模式有关，为高频部分信号的获取提供了重要的技术手段，促进了上述发展目标的实现。
然而，现有的原子力显微术仅在微悬臂的基础模式频率下进行激励和探测，而基础模式频率之外的频率通常较高且信号强度远小于基础模式频率部分，因此都被忽略了，导致包含在高频部分相互作用力的信息也丢失了。
发明内容
本发明的目的是提供一种高次谐振型原子力显微镜微悬臂及其制作方法。其中，所述制作方法通过改变高次谐振型微悬臂的几何质量分布，以使得高次谐振型微悬臂的高阶本征模式频率为基础模式频率的整数倍，基于共振放大效应，大幅度提高高频信号的信噪比，可以实现高频信号的探测，获得材料更多物性的表征。
为了实现上述目的，本发明提供一种高次谐振型微悬臂。所述高次谐振型微悬臂包括：固定端和自由端，所述固定端和所述自由端连成一体，所述固定端的厚度比所述自由端的厚度大dμm，以使得所述高次谐振型微悬臂的高阶本征模式频率为基础模式频率的整数倍，其中，d为正有理数。
其中，所述自由端的长度和宽度分别与所述固定端的长度和宽度相等。
其中，所述高次谐振型微悬臂为高次谐振型硅微悬臂。
相应地，本发明还提供一种原子力显微镜。所述原子力显微镜包括高次谐振型微悬臂。
另一方面，本发明还提供另一种高次谐振型微悬臂。所述高次谐振型微悬臂包括：固定端和自由端，所述固定端和所述自由端连成一体，所述固定端的长度为所述自由端的长度的整数倍，且所述固定端的宽度比所述自由端的宽度小bμm，以使得所述高次谐振型微悬臂的一阶扭转模式频率和/或二阶弯曲模式频率为基础模式频率的整数倍，其中，b为正有理数。
其中，所述自由端的厚度与所述固定端的厚度相等。
其中，所述高次谐振型微悬臂为高次谐振型硅微悬臂。
相应地，本发明还提供一种原子力显微镜。所述原子力显微镜包括高次谐振型微悬臂。
相应地，本发明还提供一种高次谐振型微悬臂的制作方法。所述方法包括：改变所述高次谐振型微悬臂的几何质量分布，以使得所述高次谐振型微悬臂的高阶本征模式频率为基础模式频率的整数倍。
其中，所述方法具体包括：利用微纳加工技术对所述高次谐振型微悬臂进行加工制作，以获得所需结构的高次谐振型微悬臂。
通过上述技术方案，让高次谐振型微悬臂的固定端的厚度大于自由端的厚度，以使得所述高次谐振型微悬臂的高阶本征模式频率为基础模式频率的整数倍，基于共振放大效应，大幅度提高高频信号的信噪比，可以实现除基础模式频率外高频信号的探测，能够提供很高的灵敏度和分辨率，从而实现高次谐振型微悬臂的针尖与样品之间力的非线性以及样品更多物性的探测和研究。
附图说明
图1是本发明提供的高次谐振型微悬臂的第一实施方式的结构示意图；
图2是现有的微悬臂与高次谐振型微悬臂的第一实施方式在相同作用力下的传递函数曲线图；
图3是本发明提供的高次谐振型微悬臂的第二实施方式的结构示意图；
图4是高次谐振型微悬臂的第二实施方式的一阶扭转模式频率和二阶弯曲模式频率分别与基础模式频率的比随自由端宽度变化的曲线图；
图5是高次谐振型微悬臂的第二实施方式在相同作用力下的传递函数曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
现有的原子力显微术仅在微悬臂的基础模式频率下进行激励和探测，而基础模式频率之外的频率通常较高且信号强度远小于基础模式频率部分，因此都被忽略了，导致包含在高频部分相互作用力的信息也丢失了。因此，本发明特提供一种高次谐振型微悬臂。
本发明提供的高次谐振型微悬臂包括：固定端和自由端，所述固定端和所述自由端连成一体，所述固定端的厚度比所述自由端的厚度大dμm，以使得所述高次谐振型微悬臂的高阶本征模式频率为基础模式频率的整数倍，其中，d为正有理数。具体地，所述自由端的长度和宽度分别与所述固定端的长度和宽度相等，且所述高次谐振型微悬臂为高次谐振型硅微悬臂。藉此，所述高次谐振型微悬臂的高阶本征模式频率为基础模式频率的整数倍，基于共振放大效应，大幅度提高高频信号的信噪比，可以实现除基础模式频率外高频信号的探测，能够提供很高的灵敏度和分辨率，从而实现高次谐振型微悬臂的针尖与样品之间力的非线性以及样品更多物性的探测和研究。
相应地，本发明还提供一种原子力显微镜。所述原子力显微镜包括以上所述的高次谐振型微悬臂。
图1是本发明提供的高次谐振型微悬臂的第一实施方式的结构示意图。如图1所示，高次谐振型微悬臂的第一实施方式为台阶型高次谐振硅微悬臂。其中，自由端的厚度h2为1μm，自由端的宽度W为40μm，自由端的长度l2为100μm，固定端的长度l1为100μm，固定端的宽度W为40μm，固定端的厚度h1为1.7μm。
在具体的实施方式中，根据原子力显微术常用的微悬臂，设置原始的硅微悬臂的几何尺寸为200*40*2μm。然后，采用改变微悬臂几何质量分布的方法来实现台阶型高次谐振硅微悬臂的设计。在设计的过程中，通过改变微悬臂固定端和自由端的厚度，以使得微悬臂固定端的厚度大于微悬臂自由端的厚度，从而实现高阶本征模式与基础模式之间的整数耦合。具体地，利用微纳加工技术对原始硅微悬臂进行切割加工，完成台阶型高次谐振硅微悬臂的制作。需要说明的是，设计过程中，台阶型高次谐振硅微悬臂的厚度不仅要满足频率间的整数倍耦合，而且还要保证其上探针的易操作性及微悬臂除频率外其它特性的适用性。经过ANSYS软件的分析，调谐微悬臂的高阶本征模式与基础模式之间的耦合关系。
图2是现有的微悬臂与高次谐振型微悬臂的第一实施方式在相同作用力下的传递函数曲线图。如图2所示，横坐标表示归一化微悬臂的振荡频率，纵坐标表示响应幅值(对数值)。其中，台阶型高次谐振硅微悬臂所对应的传递函数曲线(频率响应)是在微悬臂的二阶弯曲模式频率与基础模式频率(一阶弯曲模式频率)成4倍的关系下得到的，常规矩形硅微悬臂所对应的传递函数曲线(频率响应)是在微悬臂的二阶弯曲模式频率与基础模式频率(一阶弯曲模式频率)成6.27倍的关系下得到的。由图2能够得到，在高阶本征模式频率与基础模式频率成整数倍关系的情况下，基于共振放大效应，能够大幅度提高高频信号的信噪比，能够实现高频信号的探测。
另一方面，本发明还提供另一种高次谐振型微悬臂。所述高次谐振型微悬臂包括：固定端和自由端，所述固定端和所述自由端连成一体，所述固定端的长度为所述自由端的长度的整数倍，且所述固定端的宽度比所述自由端的宽度小bμm，以使得所述高次谐振型微悬臂的一阶扭转模式频率和/或二阶弯曲模式频率为基础模式频率的整数倍，其中，b为正有理数。具体地，所述自由端的厚度与所述固定端的厚度相等，且所述高次谐振型微悬臂为高次谐振型硅微悬臂。藉此，在利用调谐的高阶弯曲模式实现高次谐振成像的同时，还可以结合扭转谐振来实现更多性质的探测。
相应地，本发明还提供一种原子力显微镜。所述原子力显微镜包括以上另一方面所述的高次谐振型微悬臂。
图3是本发明提供的高次谐振型微悬臂的第二实施方式的结构示意图。如图3所示，高次谐振型微悬臂的第二实施方式为锤头型高次谐振硅微悬臂，呈“T”型。其中，固定端的厚度为3μm，固定端的宽度W1为30μm，固定端的长度l1为270μm，自由端的厚度为3μm，自由端的宽度W2为77.5μm，自由端的长度l2为30μm。
在具体的实施方式中，根据原子力显微术常用的微悬臂，设置原始的硅微悬臂的几何尺寸为300*80*3μm。然后，利用ANSYS软件的分析，获得锤头型高次谐振硅微悬臂的二阶弯曲模式频率和一阶扭转模式频率分别与基础模式频率之比以及自由端的长度为高次谐振型微悬臂总长度的1/10时为最佳。图4是高次谐振型微悬臂的第二实施方式的一阶扭转模式频率和二阶弯曲模式频率分别与基础模式频率的比随自由端宽度变化的曲线图。如图4所示，横坐标表示微悬臂自由端的宽度，左侧纵坐标表示一阶扭转本征频率(一阶扭转模式频率)与基频(基础模式频率)之比，右侧纵坐标表示二阶弯曲本征频率(二阶弯曲模式频率)与基频(基础模式频率)之比。由图4能够得到，在锤头型高次谐振硅微悬臂的自由端的宽度为77.5μm的情况下，微悬臂的基础模式频率为35.619kHz，微悬臂的二阶弯曲模式频率为248.960kHz，微悬臂的一阶扭转模式频率为391.850kHz，二阶弯曲模式频率与基础模式频率之比为7，一阶扭转模式频率与基础模式频率之比为11，同时实现了扭转模式和弯曲模式的调谐。接着，采用改变微悬臂几何质量分布的方法来实现锤头型高次谐振硅微悬臂的设计。在设计的过程中，决定微悬臂的振动模式和本征频率的变化的主要是微悬臂的自由端的宽度及微悬臂的自由端和固定端的长度比例。最后，利用微纳加工技术对原始硅微悬臂进行切割加工，完成锤头型高次谐振硅微悬臂的制作。需要说明的是，将一阶扭转模式频率和二阶弯曲模式频率分别调整为基础模式频率的整数倍后，高次谐振型微悬臂的针尖的位置可以位于中心轴位置，获得高次谐振信号的提取，也可以根据实验需要偏置放置，去研究扭转谐振内包含各种与样品性质相关的信号。
具体地，调谐微悬臂的二阶弯曲模式频率和一阶扭转模式频率以使得它们分别与基础模式频率成整数倍的耦合关系，可以同时实现弯曲谐振和扭转谐振的AFM成像。如果将高次谐振型微悬臂的针尖放置于高次谐振型微悬臂的中间位置，可以通过已调谐的高阶弯曲模式来实现高次谐振成像，如果将高次谐振型微悬臂的针尖偏离高次谐振型微悬臂的中轴线放置，针尖与样品间的非线性作用力会激发高次谐振型微悬臂的扭转振荡。因此，在利用调谐的高阶弯曲模式实现高次谐振成像的同时，还可以结合扭转谐振来实现更多性质的探测。针对扭转谐振，AFM可以探测更高分辨率的力学性质，特别是界面杨氏模量的实空间分辨能力，已被用于探测和统计杂化DNA分子的树木，也是测量基因材料的有效探测工具，其灵敏度可以到达摩尔量级，比现有方法高几个数量级。最后，利用FIB(聚离子束)技术对原始矩形硅微悬臂进行切割加工，完成锤头型高次谐振硅微悬臂的制作。另外，亦可以根据所设计的锤头型高次谐振硅微悬臂的几何模型直接制作生产锤头型高次谐振硅微悬臂。
图5是高次谐振型微悬臂的第二实施方式在相同作用力下的传递函数曲线图。如图5所示，横坐标表示归一化微悬臂的振荡频率，纵坐标表示响应幅值(对数值)。其中，锤头型高次谐振硅微悬臂所对应的传递函数曲线(频率响应)分别是在微悬臂的二阶弯曲模式频率与基础模式频率(一阶弯曲模式频率)成7倍以及微悬臂的一阶扭转模式频率与基础模式频率(一阶弯曲模式频率)成11倍的关系下得到的，且相同的作用力具体为1nN。由图5能够得到，在微悬臂的一阶扭转模式频率和二阶弯曲模式频率分别为基础模式频率的整数倍的情况下，基于共振放大效应，能够同时实现弯曲谐振和扭转谐振的AFM成像，实现更多性质的探测。
相应地，本发明还提供一种高次谐振型微悬臂的制作方法。所述方法包括：改变所述高次谐振型微悬臂的几何质量分布，以使得所述高次谐振型微悬臂的高阶本征模式频率为基础模式频率的整数倍。具体地，所述方法包括：利用微纳加工技术对所述高次谐振型微悬臂进行加工制作，以获得所需结构的高次谐振型微悬臂。
需要说明的是，对于本发明提供的高次谐振型微悬臂的制作方法还涉及的具体细节已在本发明提供的高次谐振型微悬臂中作了详细的说明，在此不在赘述。
本发明通过改变微悬臂的几何质量分布(即几何模型)将其高阶模式频率调谐为基础模式频率的整数倍，基于共振放大效应，可以提高包含在微悬臂的探针运动中的高次谐振信号的信噪比，实现高次谐振信号的提取，大幅提高原子力显微术的探测灵敏度和成像分辨率，从而可以获得样品更多物性的表征和研究，并且可以实现高次谐振成像，具体地，可以同时实现样品在基频下的形貌成像和高次力梯度的成像。就加工技术和方法而言，方便易实现，可以保证较高的制作重复性。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种高次谐振型微悬臂，其特征在于，所述高次谐振型微悬臂包括：固定端和自由端，所述固定端和所述自由端连成一体，所述固定端的厚度比所述自由端的厚度大dμm，以使得所述高次谐振型微悬臂的高阶本征模式频率为基础模式频率的整数倍，其中，d为正有理数。
2.根据权利要求1所述的高次谐振型微悬臂，其特征在于，所述自由端的长度和宽度分别与所述固定端的长度和宽度相等。
3.根据权利要求1或2所述的高次谐振型微悬臂，其特征在于，所述高次谐振型微悬臂为高次谐振型硅微悬臂。
4.一种原子力显微镜，其特征在于，所述原子力显微镜包括权利要求1-3中任意一项权利要求所述的高次谐振型微悬臂。
5.一种高次谐振型微悬臂，其特征在于，所述高次谐振型微悬臂包括：固定端和自由端，所述固定端和所述自由端连成一体，所述固定端的长度为所述自由端的长度的整数倍，且所述固定端的宽度比所述自由端的宽度小bμm，以使得所述高次谐振型微悬臂的一阶扭转模式频率和/或二阶弯曲模式频率为基础模式频率的整数倍，其中，b为正有理数。
6.根据权利要求5所述的高次谐振型微悬臂，其特征在于，所述自由端的厚度与所述固定端的厚度相等。
7.根据权利要求5或6所述的高次谐振型微悬臂，其特征在于，所述高次谐振型微悬臂为高次谐振型硅微悬臂。
8.一种原子力显微镜，其特征在于，所述原子力显微镜包括权利要求5-7中任意一项权利要求所述的高次谐振型微悬臂。
9.一种高次谐振型微悬臂的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
改变所述高次谐振型微悬臂的几何质量分布，以使得所述高次谐振型微悬臂的高阶本征模式频率为基础模式频率的整数倍。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述方法具体包括：
利用微纳加工技术对所述高次谐振型微悬臂进行加工制作，以获得所需结构的高次谐振型微悬臂。
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