[发明专利]一种静电力显微镜的间歇接触式测量方法

说明书

技术领域

本发明属于静电力显微镜的测量领域。

背景技术

静电力显微镜（Electrostatic force microscopy, EFM）是基于原子力显微镜（Atomic force microscopy, AFM）的技术，它能够测量两个物体之间的静电相互作用力及其二维分布情况。静电力显微镜通过动态测量静电力反映样品表面的电荷或电势的局域分布，是材料微观结构和性质的重要表征工具。

静电力显微镜需要借助原子力显微镜得到样品的表面形貌图像。相对于原子间相互作用力而言，静电力是一种远程力。工作于大气环境下的静电力显微镜通常采用“抬起模式”，如本发明人之前研发的中国专利号为200910037448.X的一种静电力显微镜及其测量方法公开了具体的结构和测量过程，所谓的“抬起模式”是一种每行图像均扫描两遍的成像方式：第一遍先用通常的原子力显微镜方法（指探针和样品间歇接触的扫描模式即轻敲模式）通过测量原子间力得到表面形貌，而第二遍扫描时则将探针抬起一定的高度（使探针和样品间没有接触），根据之前得到的形貌起伏信息保持探针-样品间距恒定扫描从而得到远程静电力图像。

静电力显微镜和原子力显微镜采用微悬臂探针来测量力。微悬臂探针有多种本征机械振动模式，如第一次、第二次、第三次的振动模式等。大气环境下的静电力显微镜中的形貌成像通常采用微悬臂探针的第一次振动模式；而静电力成像则可采用第一次振动模式，也可采用较高次的振动模式，如第二次振动模式。同时使用多个振动模式成像的静电力显微镜通常称为“多频率静电力显微镜”。

现有的静电力显微镜虽然具备良好的测量性能，但由于采用抬起和每行图像均扫描两遍的成像方式，在实际测量过程中，其灵敏度和扫描成像速度有待进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扫描分辨率和成像速度明显提升的静电力显微镜的、间歇接触式测量方法。

为了实现上述发明目的，采用的技术方案如下。

一种静电力显微镜的间歇接触式测量方法，所述静电力显微镜包括扫描头、探针、探针位置感应器、压电激振器、 压电扫描器、低频电压信号发生器、高频电压信号发生器、低频振动信号检测器、高频振动信号检测器和控制器，所述压电扫描器上放置有样品，测量方法为同时进行如下操作：

操作A、由低频电压信号发生器产生对应探针较低本征频率相同或接近的电压信号，并施加在与探针紧密相连的压电激振器上，从而激发探针在低频振动模式上振动，探针位置感应器感应到这种振动并将它传送到低频振动信号检测器，测量出其振幅和相位信号，控制器控制压电扫描器使探针在样品上扫描从而得到样品形貌图；

操作B、由高频电压信号发生器产生对应探针较高本征频率相同或接近的电压信号，并施加探针和/或样品上，探针和样品间的静电力相互作用，激发探针在高频振动模式上振动，探针位置感应器感应到这种振动并将它传送到高频振动信号检测器，测量出其振幅和相位信号，控制器利用该振幅和相位信号进行成像，得出静电力分布的二维图像。

本发明对探针同时加上低频电压信号和高频电压信号，低频电压信号通过压电激振器本身的机械振荡来带动的，而高频电压信号则是通过探针－样品将静电力直接激发的，探针的特性决定了探针是可以同时发生两种机械振动，也就是两种振动的叠加，使得本发明与传统大气环境静电力显微镜的成像方式有了本质的区别，传统大气环境静电力显微镜每行需要两遍扫描，每行连续扫两遍再扫下一行：第一遍扫形貌像（间歇接触方式），第二遍根据形貌起伏扫静电力像（探针抬起避免间歇接触）。而本发明只扫一遍（间歇接触方式）就可得到形貌和静电力像，即静电力成像时也是间歇接触的。

上述技术方案中，所述高频电压信号发生器产生的电压信号为交流信号，该交流信号施加在探针或样品上。

进一步地，所述操作B中，能由高频电压信号发生器同时产生多个电压信号，以激发探针的多个高频振动模式，相应地，高频振动信号检测器也同时检测多个振动信号并由控制器控制成像。