[发明专利]一种原子力显微镜中激励探针振动的方法

说明书

本发明提供一种原子力显微镜中激励探针振动的方法，在所述探针下方设置压电换能器，该压电换能器在信号源作用下产生竖直方向的机械振动，探针在该机械振动波激励下发生振动。与现有的采用探针驱动器激励悬臂振动，从而带动探针振动的方法相比，本发明中探针针尖更容易挣脱样品表面的粘附力和毛细管力的作用进行稳定的振动，有利于稳定地扫描成像，获得高分辨率的扫描图像，并且降低了对悬臂的高性能要求。

技术领域

本发明涉及原子力显微镜技术领域，尤其涉及一种原子力显微镜中激励探针振动的方法。

背景技术

原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)是继扫描隧道显微镜(ScanningTunneling Microscope，STM)之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵；现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。

原子力显微镜中有一根纳米级的探针被固定在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上，当探针靠近样品时，其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置。根据扫描样品时探针的偏离量或振动振幅重建三维图像，就能间接获得样品表面的形貌或成分信息。

根据探针与样品作用力性质的不同，AFM主要有三种成像模式：接触模式(contactmod)、非接触模式(non-contact mode)和轻敲模式(tapping mode)。

接触模式AFM，探针针尖始终与样品表面保持接触，当扫描管引导针尖在样品上方扫过(或样品在针尖下方移动)时，互相接触原子的电子间存在的库仑排斥力使悬臂发生弯曲，从而反映出形貌的起伏。接触模式可以获得稳定、高分辨的图像，然而由于针尖与样品间相互接触且作用力很大，所以容易造成样品的变形以及针尖磨损。

非接触模式中，针尖与样品工作于吸引力作用区间，针尖与样品间始终不接触，探针在其共振频率附近振动，通过调节针尖的高度控制探针振幅或频率恒定，从而保持针尖与样品的恒定间距。非接触模式适合扫描软样品，但在室温大气环境下实现这种模式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一层小小的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面的压力，造成图像数据不稳定和对样品的破坏。因此，非接触模式在空气中操作的成功率较低，使用较少。

轻敲模式介于接触模式和非接触模式之间。与接触模式相比，轻敲模式接触样品时所产生的侧向力明显减小。与非接触模式相比，其特点是扫描过程中探针也是振荡的，并具有比非接触模式更大的振幅(大于20nm)。针尖在振动周期的底部敲击样品，针尖和样品的相互作用可改变其振幅或共振频率，以振幅或频率作为反馈信号通过调节针尖的高度保持针尖与样品的恒定间距。因此在空气中检测柔软的样品时，AFM的轻敲模式是较好的选择。

如图1所示，在非接触模式以及轻敲模式中，一般采用探针驱动器激励悬臂振动。目前常规采用的探针驱动器是压电陶瓷驱动器，压电陶瓷驱动器在信号源作用下产生一个交流振动，该振动力直接作用于悬臂根部，自悬臂根部传递至探针针尖，从而驱动悬臂与整个探针振荡。由于驱动力只作用于悬臂的根部，在探针针尖扫描样品的过程中，样品表面的粘附力和毛细管力将对针尖产生向下的吸力，从而抑制了探针振荡，引起探针振荡振幅下降，甚至下降为零，进而影响扫描成像，导致成像失败。

为了避免这种情况，通常要求悬臂具有高的弹性系数(20-60N/m)、共振频率和大的驱动力，但是这样会增加设备要求，同时在轻敲模式中还会造成成像时破坏样品的原始结构，尤其是对于柔软的样品，比如悬空的石墨烯片、凝胶状样品等，还可能破坏或移动样品，并会污染针尖，增大针尖与样品的接触面积，使稳定的高分辨成像变得更加困难。

发明内容