[发明专利]基于纳米粒子点阵量子输运的原子力显微微悬臂及应用

说明书

技术领域

本发明属于信号检测仪器领域，具体地说是涉及一种原子力显微镜微悬臂及改良的设计，通过电学量变化检测nm尺度的形貌。

背景技术

原子力显微镜是纳米科学与工程领域的重要检测手段，可以通过对nm尺度针尖与样品表面微区力的检测实现微区形貌的检索。其主要工作原理是基于针尖与样品之间的作用力取决于它们之间的距离，针尖依附在微悬臂上，一束激光照在微悬臂上，可以检测微悬臂的弯曲。所以原子力显微镜工作时每改变一次针尖和样品的距离，就改变了衬底对针尖的排斥力，从而使得针尖依附的微悬臂弯曲，从而使激光反射角改变，最终以反射角的改变记录下针尖-样品间距，扫描整个样品获得了样品的形貌图。原子力显微镜和扫描隧道显微镜发明以后不多久，它们的发明人Binnig和Rohrer就获得了诺贝尔物理学奖。

原子力显微镜发明以后人们进行了很多改进，直到如今依然是众多文献和专利工作的热点。目前已发表的文献中，包含多种对原子力显微探针设计、驱动方法、扫描参数、新信息获取方法等多方面的改造。比如，有人提出对原子力显微镜的探针进行设计，在探针的数目、探针的尖锐程度、探针的物理参数等方面进行改良，可以提供或改善原子力显微镜的成像品质或速度。有人提出，可以在原子力显微探针上做设计，实现声、热、电势等多种信息的检测，从而形成扫描声、扫描热和扫描电势显微镜，用于微纳米尺度的物性检测，这已经成为原子力显微改善的主流之一，类似的思路甚至被用来测量DNA的拓扑结构。也有少数人提出对原子力显微镜镜体的改善。在中国专利检索中输入原子力显微镜就可以检索到98条发明专利，基本上都是上述相关的改进内容。

传统的微悬臂是由Si₃N₄构成，外部涂覆高质量的金膜，激光束照射在金膜上，由于微悬臂的弯曲改变光束的反射方向，通过对光束反射方向的检测就可以检测微悬臂的弯曲程度。这一工作是基于我们对于纳米粒子薄膜传输的基础研究工作。

发明内容

本发明提出基于纳米粒子点阵量子输运的原子力显微微悬臂，对微悬臂的设计和弯曲检测方法进行改造。微悬臂制备了纳米粒子点阵结构，并施加了电极，通过改变纳米粒子点阵的间距来改变样品的电导，而且纳米粒子点阵极微小的改变就可以引起电导数量级的变化。从而检测针尖-样品的局部距离。

本发明技术方案是，一种基于纳米粒子点阵量子输运的原子力显微微悬臂，包括一个AFM探针针尖(1)并附着于一个悬臂梁(4)上；至少一组附着于悬臂梁(4)表面的纳米粒子点阵(3)；至少一对位于悬臂梁表面用于测量所述纳米粒子点阵(3)电阻值的微电极(2)；纳米粒子电子点阵以及电极印刷在微悬臂上，当微悬臂因与样品作用发生弯曲时，印刷在微悬臂背面的纳米粒子点阵间距也发生了变化，引起纳米粒子点阵电导的变化；检测这一电导变化，就检测悬臂的弯曲，相应的检测针尖-样品的局部距离。基于纳米粒子点阵量子输运的原子力显微微悬臂的应用，包括一个AFM探针针尖(1)并附着于一个悬臂梁(4)上；至少一组附着于悬臂梁(4)表面的纳米粒子点阵(3)；至少一对位于悬臂梁表面用于测量所述纳米粒子点阵(3)电阻值的微电极(2)；纳米粒子电子点阵以及电极印刷在微悬臂上，当微悬臂因与样品作用发生弯曲时，印刷在微悬臂背面的纳米粒子点阵间距也发生了变化，引起纳米粒子点阵电导的变化；检测这一电导变化，就检测悬臂的弯曲，相应的检测针尖-样品的局部距离。

本发明通过使用纳米粒子点阵的电阻检测代替传统的激光来检测AFM探针悬臂梁的弯曲程度。

进一步的，其中所述纳米粒子点阵(3)中隧穿输运是主要的导电形式。

进一步的，其中所述纳米粒子点阵(3)的纳米粒子数密度应大于渗流阈值，使其电阻(或电导)能被外部电学仪表测量。

进一步的，其中所述微电极(2)具有足够强的导电能力，且能稳定粘附在悬臂梁(4)表面，在悬臂梁(4)高频振动是具有良好的机械稳定性，能作为纳米粒子点阵(3)的有效电学信号转换介质。

其中所述悬臂梁(4)用Si₃N₄材料制备，其尺寸、形状和结构将影响到AFM探针的测量范围，同时还会影响到纳米粒子点阵)的测量灵敏度。即AFM探针的量程和灵敏度可以通过改变悬臂梁(4)的结构尺寸而进行调整。悬臂梁(4)的横截面为矩形或圆、椭圆均可。悬臂梁(4)的制作材料为氮化硅(Si₃N₄)，其弹性模量约为E=35000±10000MPa，假定悬臂梁(4)的结构尺寸为：L=200±50μm，h=7±4μm，b=40±10μm。