CN111751577A - 音叉型原子力显微镜探头和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种音叉型原子力显微镜探头，所述探头包括石英音叉、电流放大器及补偿电路。还提供了该探头的应用。既可以实现对分布电容的补偿又可以在10mK温度对通过石英音叉的电流信号进行放大，从而可以降低驱动电压的幅度，以期望提高测量的分辨率。
Description
技术领域
本发明属于原子力显微镜领域，具体涉及一种利用音叉、极低温可工作的硅锗双极型晶体管和高电子迁移率晶体管集成开发极低温(10mK量级)下可工作的原子力显微镜探头和应用。
背景技术
原子力显微镜(AFM)系统，是将带有针尖的悬臂安装在压电陶瓷上，通过激励压电陶瓷带动针尖做周期性振动，由于针尖与待测样品的原子力作用会改变悬臂的振动方式，利用光束偏转法检测悬臂梁的振动变化，进而获取样品表面的形貌。原子力显微镜由于具有横向和纵向的超高分辨能力，可以在获得待测样品二维图像的同时获得样品表面的高度信息，因而在半导体芯片行业中被广泛用于对微纳米器件的形貌进行测量。在基础研究领域，例如在目前热门的量子计算实验研究方向，原子力显微镜也被用于对极低温环境下量子器件进行形貌分析和定位。
传统的AFM结构复杂，由于需要光学组件探测悬臂振动，所以不适合在极低温下实现。1995年，德国的K.Karrai等人，提出可以用石英音叉开发自感应AFM探头，通过音叉自身输出电信号检测悬臂的振幅变化。无需利用传统的光学检测部件，因此系统结构比较简单并且可以工作在极低温环境下，只要探针具备，利用锁相技术及PID技术就可以实现调频或调幅模式下对样品的形貌进行测量。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种极低温(mK)下可用的音叉型原子力显微镜探头和应用。
在阐述本发明内容之前，定义本文中所使用的术语如下：
术语“I-V转换”是指：电流-电压转换。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种音叉型原子力显微镜探头，所述探头包括石英音叉、电流放大器及补偿电路，优选地，所述探头还包括I-V转换器。
根据本发明第一方面的探头，其中，所述电流放大器的材料选自以下一种或多种：锗硅异质结晶体管(HBT)、结型场效应管(JFET)、金属-半导体接触型场效应晶体管(MESFET)、金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、硅基集成运算放大器。优选为锗硅异质结晶体管；更优选地，所述锗硅异质结晶体管为锗硅双极型晶体管NESG3031T1K。
根据本发明第一方面的探头，其中，所述补偿电路的补偿网络支路与所述石英音叉的等效电路的寄生电容支路的电流相位相反。
根据本发明第一方面的探头，其中，所述补偿电路包括反相放大器和补偿电路电容，所述反相放大器的倍数与补偿电路电容的乘积等于所述石英音叉的等效电路的寄生电容。
根据本发明第一方面的探头，其中，所述反相放大器的材料选自以下一种或多种：高电子迁移率晶体管(HEMT)、锗硅异质结晶体管(HBT)、结型场效应管(JFET)、金属-半导体接触型场效应晶体管(MESFET)、金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、硅基集成运算放大器。优选为高电子迁移率晶体管。
根据本发明第一方面的探头，其中，所述石英音叉的等效电路与所述补偿电路并联后再与所述电流放大器串联。
根据本发明第一方面的探头，其中，所述I-V转换器与所述电流放大器串联。
根据本发明第一方面的探头，其中，所述电流放大器和所述补偿电路的总功耗小于10uW，优选为小于4uW。
本发明的第二方面提供了一种原子力显微镜，所述原子力显微镜包括第一方面所述的音叉型原子力显微镜探头。
本发明的第三方面提供了一种极低温下检测微纳米器件形貌的方法，所述方法使用如第一方面所述的音叉型原子力显微镜探头，其中所述极低温为毫开温区，优选为10mK量级。
基于音叉的原子力显微镜探头，一般需要加入补偿电路，以补偿音叉振子分布电容的影响。通常在室温的AFM系统中，补偿电路比较容易实现，而在极低温稀释制冷机内，音叉的输入输出测量同轴线比较长，存在很大的分布电容。为了提高测量信噪比，只使用音叉需要加相对较高的驱动电压，使得输出的信号大于系统的噪声本底。过大的激励电压会导致音叉振动的幅度过大，导致其灵敏度下降，在噪声允许的情况下，希望激励电压越小越好。为了提高测量的灵敏度，需要尽量降低主动驱动的电压幅度，电压幅度的减小，会导致通过石英音叉晶振的电流减小。如果石英音叉输出端接入电流放大器，就可以实现在低的主动驱动电压下提供测量的信噪比和灵敏度。
本发明的原子力显微镜探头可以具有但不限于以下有益效果：
本发明利用可以工作在10mK的低功耗的硅锗双极型晶体管NESG3031T1K以及高电子迁移率晶体管HEMT和石英音叉配合使用，既可以实现对分布电容的补偿又可以在10mK温度对通过石英音叉的电流信号进行放大，从而可以降低驱动电压的幅度，以期望提高测量的分辨率。商用Attocube音叉型AFM未加入极低温(mK)的放大器以及极低温补偿电路。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1示出了商用的二脚无源32.768kHz晶振剥去外壳后的石英音叉；
图2示出了音叉探针的结构和工作原理；
图3示出了32.768kHz石英音叉的等效电路(虚线框内所示)；
图4示出了石英音叉当激励电压为1V时候，输出电流I(f)随着频率f的变化；
图5示出了室温下一般采用的石英音叉信号检测及相位补偿电路；
图6示出了有相位补偿电路和没有相位补偿电路I-V转换器的输出电压Vout(f)；
图7示出了NESG3031T1K硅锗双极型晶体管10mK的工作特性曲线；
图8示出了定制的HEMT的10mK工作特性曲线；
图9示出了极低温10mK石英音叉后接NESG3031T1K电流放大器与不接电流放大器的输入输出噪声谱测量电路；
图10示出了10mK利用NESG3031T1K低温电流放大器和没有电流放大的输出噪声谱关系；
图11示出了HEMT仿真分析10mKAFM石英音叉补偿电路；
图12示出了仿真分析利用HEMT的极低温10mKAFM石英音叉的补偿结果；
图13示出了10mK基于石英音叉的AFM的探头设计原理图，其中G为HEMT低温相位补偿电路的栅极静态工作偏置端，D为HEMT低温相位补偿电路的供电端，B为低温NESG3031电流放大器的基极偏置端，E为低温NESG3031电流放大器的供电端。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
以下实施例中使用的材料和仪器如下：
二脚无源32.768kHz晶振由ECS Inc.International公司生产制造；
NESG3031T1K由California Eastern Laboratories公司生产制造；
HEMT由Avago Technologies公司生产制造；
室温端的电流放大器由普通的集成运放制作，由Analog Devices公司生产制造。
实施例1
本发明的具体实施如下介绍，主要针对稀释制冷机极低温10mK下AFM音叉探头部分的介绍，关于AFM的技术细节，不作详细展开。
本发明采用的石英音叉是由二脚无源32.768kHz晶振剥去外壳得到，如图1所示。由于处于谐振状态的石英音叉对外力极其敏感，利用音叉剪切力阻尼运动的反馈振动信号——电流信号，测定工作于谐振状态的石英晶振的电流，可以得到样品表面的形貌信息。传统的动态AFM系统，将带有针尖的悬臂安装于压电陶瓷上，通过激励压电陶瓷带动针尖做周期振动，利用光束偏转法检测悬臂的形变量，从而获取样品形貌。相比于传统的动态AFM系统，利用石英音叉做AFM探头的方案结构简单、操作方便，尤其适合在低温和真空等极端环境下使用，不需要腔体开设任何附加的光学窗口，不需要复杂的光路调节。
利用石英音叉的AFM探针的工作原理如下，音叉的两臂和针尖结合在一起，末端引出两个电极，分别是激励信号的输入和输出端。如图2所示，由于音叉的逆压电效应，当施加正弦电压信号激励，音叉会在X-Y平面内按相反方向振动，音叉的两臂的相反方向运动会驱动探针针尖的在Z方向的运动。当两臂相互靠近时，针尖由于应力作用向Z轴负方向运动，反之向Z轴的正方向运动。当音叉处于谐振工作状态，探针针尖和样品表面相互接触时候，由于近场力的作用，流过音叉的电流大小和相位都会发生变化，通过锁相环检测该微电流的信号即可以获取样品的表面形貌。
石英音叉的可以等效为图3的串并联谐振电路。谐振分为两部分，L1和C1的串联谐振以及L1和C1、C2串联电容的并联谐振电路。当施加激励信号V(f)为1V，此谐振电路中电流I(f)随着频率f的变化如图4所示，Point1为L1和C1串联谐振点，Point2为L1和C1、C2串联电容的并联谐振点。
在实际测量使用中，音叉的激励电压较小，一般为100mV左右，过大的激励电压会导致音叉振动的幅度过大，导致其灵敏度下降，在噪声允许的情况下，希望激励电压越小越好。音叉的输出电流是nA量级，10mKAFM测量系统希望激励电压更小，从而对应的输出电流会更小，100pA甚至更小，因此需要设计探针微弱电流的测量电路。为了提高测量的稳定性，需要设计补偿电路消除图3中C2电容的影响，使得整个石英振荡器的谐振是串联谐振。一般在室温下，利用运放设计如图5的探针微弱信号检测及补偿电路。
相位补偿电路的目的是为了抵消图5中石英音叉等效电路C2电容的影响，采用补偿电路中的运放的反相器及电容C3，使得
当输入Vin(f)＝1V信号，对比有相位补偿电路和没有相位补偿电路I-V转换器的输出电压Vout(f)，如图6所示。补偿网络支路与寄生电容C2支路的电流相位相反，加入补偿网络后是串联谐振，谐振关于中心频率左右对称，串联谐振的谐振点石英音叉为纯电阻，加入补偿网络后使得谐振更加稳定，选取谐振点作为工作点可以提高测量的分辨率。
图5中的补偿网络以及I-V转换电路都是靠近石英音叉制作，由于石英音叉的电流很微弱，如果石英音叉离I-V转换器较远，难免会受到一些噪声干扰，将I-V转换器和石英音叉靠近可以减小噪声干扰提高电学测量信噪比。但是，这种利用运放的电路网络由于功耗比较高，至少几十个mW，无法将其集成安装于稀释制冷机极低温的冷盘，因为稀释制冷机极低温10mK的制冷功率在几个uW。本发明在精心挑选各类晶体管的基础上，选取可以工作在10mK的低功耗低噪声的硅锗双极型晶体管(HBT)NESG3031T1K和高电子迁移率晶体管(HEMT)来设计石英音叉电流信号就近的电流放大器以及补偿网络。保证工作的功率在4uW以内，从而确保利用石英音叉的方案的AFM探头可以正常的工作在极低温10mK。图7是NESG3031T1K硅锗双极型晶体管10mK的工作特性曲线，图8是定制的HEMT的10mK工作特性曲线。
首先采用NESG3031T1K实现10mK对石英音叉的电流实现低温电流放大的功能。搭建如图9所示的电路，利用信号发生器输出白噪声，采用频谱仪测量系统的输出噪声谱，对比输出和输入噪声谱，观察石英音叉在10mK端后接NESG3031T1K搭建的电流放大器和不用NESG3031T1K电流放大器的室温I-V转换器的输出噪声谱。首先，信号发生器均产生10mV的白噪声作为输入，带宽50kHz。NESG3031T1K的静态偏置为：Ib＝2nA，Vbc＝-0.333501V，Ie＝-1.93516uA，Vec＝-1.4V。其中频谱仪测量的参数为32.5kHz～33kHz，分辨率带宽为3Hz。
得到输入输出的噪声谱关系如图10所示，从图中可以看见，10mK端在相同带宽的白噪声输入情况下，加入NESG3031T1K电流放大器输出噪声谱明显比未加入电流放大器要大，确实可以利用NESG3031T1K制作10mK电流放大器(功耗2.8uW)。
由于HEMT在极低温10mK下可以正常工作，在功耗4uW以内跨导8mS，可以利用其制作低功耗的反相器，配合电容使用，可以制作类似于室温电路里用运放做的补偿电路，这里利用Multisim仿真，分析利用HEMT制作极低温10mK补偿网络的可行性，如图11所示，只要HEMT放大器的反相放大器的倍数A满足A×C3＝C2就可以实现补偿。仿真分析最终的输出Vout(f)随着频率的变化，发现和图6中带补偿的情形一样，如图12所示，石英音叉的谐振为L1和C1的串联谐振。
综上，对于极低温的10mK利用石英音叉的AFM探头的集成制作，可以选用NESG3031T1K的锗硅异质结晶体管制作第一级的电流放大器，将电流放大以减小后续测量线的噪声影响，利用10mK可以工作的低功耗的HEMT制作石英音叉的补偿电路，根据两种晶体管的特性曲线，可以很好的控制二者的总功耗在4uW以内，以实现10mK基于石英音叉的AFM探头的制作。最终的设计方案如图13所示。
以上所述仅为本发明的设计理念以及具体的实践，证明此种方案的可行性，对于本发明领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
Claims (10)
1.一种音叉型原子力显微镜探头，其特征在于，所述探头包括石英音叉、电流放大器及补偿电路，优选地，所述探头还包括I-V转换器。
2.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述电流放大器的材料选自以下一种或多种：锗硅异质结晶体管、结型场效应管、金属-半导体接触型场效应晶体管、金属-氧化物半导体场效应晶体管、高电子迁移率晶体管、绝缘栅双极型晶体管、硅基集成运算放大器；优选为锗硅异质结晶体管；更优选地，所述锗硅异质结晶体管为锗硅双极型晶体管NESG3031T1K。
3.根据权利要求1或2所述的探头，其特征在于，所述补偿电路的补偿网络支路与所述石英音叉的等效电路的寄生电容支路的电流相位相反。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的探头，其特征在于，所述补偿电路包括反相放大器和补偿电路电容，所述反相放大器的倍数与补偿电路电容的乘积等于所述石英音叉的等效电路的寄生电容。
5.根据权利要求4所述的探头，其特征在于，所述反相放大器的材料选自以下一种或多种：高电子迁移率晶体管、锗硅异质结晶体管、结型场效应管、金属-半导体接触型场效应晶体管、金属-氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管、硅基集成运算放大器；优选为高电子迁移率晶体管。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的探头，其特征在于，所述石英音叉的等效电路与所述补偿电路并联后再与所述电流放大器串联。
7.根据权利要求6所述的探头，其特征在于，所述I-V转换器与所述电流放大器串联。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的探头，其特征在于，所述电流放大器和所述补偿电路的总功耗小于10uW，优选为小于4uW。
9.一种原子力显微镜，其特征在于，所述原子力显微镜包括如权利要求1至8中任一项所述的音叉型原子力显微镜探头。
10.一种极低温下检测微纳米器件形貌的方法，其特征在于，所述方法使用如权利要求1至8中任一项所述的音叉型原子力显微镜探头，其中所述极低温为毫开温区，优选为10mK量级。
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