[发明专利]一种原子力显微镜探针模态形状优化设计方法

说明书

本发明属于原子力显微镜领域，并公开了一种原子力显微镜探针模态形状优化设计方法，包括以下步骤：(1)将原子力显微镜探针简化成为长度、宽度和厚度分别为L、w、h且带有集中质量点的悬臂梁；(2)根据悬臂梁探针结构进行有限元建模，定义设计变量；(3)定义目标模态向量φ₀；(4)定义目标函数J；(5)求解步骤(2)的有限元模型，获得目标函数J关于设计变量的敏度，梯度下降法更新设计变量；(6)使目标函数J收敛。本发明可以使一阶振动模态下探针悬臂在光束反射处提供更大的倾斜度，提高了检测灵敏度，同时目标函数中特征值的部分可以使一阶振动频率尽量不受影响。

技术领域

本发明属于原子力显微镜领域，更具体地，涉及一种原子力显微镜探针模态形状优化设计方法。

背景技术

原子力显微镜(AFM)是一种用来研究固体材料表面结构的分析仪器，其通过带有探针的悬臂梁结构接触样品表面，检测针尖与样品表面原子间作用力的变化来研究物体表面的性质，其广泛运用于微纳米结构表面形貌测量，生物大分子活体结构行为观测，分析分子间作用力以及进行微纳米结构的加工。

典型的原子力显微镜包括以下几个组成部分：力检测部分，用于检测原子间的作用力，通常是使用微小悬臂梁结构，悬臂梁自由端附有针尖并且背面带有反射光束的镀层，悬臂的结构参数决定了悬臂的性能以用于不同的检测模式及检测用途；位置检测部分，在检测中样品与针尖的相互作用力使悬臂梁末端发生偏转，照射在悬臂背面的激光束也因此产生偏转角，反射光束的偏转量在光斑位置检测器上留下记录转换成电信号，供SPM控制器做信号处理；反馈系统，反馈系统将位置检测器收到的信号当作反馈信号，用来调整驱动压电陶瓷管制作的扫描器做适当移动，保持样品表面与针尖的作用力相等(恒力模式)。

原子力显微镜按针尖与样品间作用力形式通常有三种工作模式：接触模式、非接触模式、轻敲模式。接触模式中针尖与样品表面保持紧密接触，相互作用力为排斥力，测量纵向分辨率高，空间分辨率低，施加在针尖上的力可能破坏试样结构；非接触模式与轻敲模式均为动态模式，非接触模式检测悬臂在样品上方振动，不适合大气环境下测量，扫描速度低；轻敲模式介于前述两种模式之间，悬臂在试样上方以其共振频率震荡，针尖周期性短暂接触表面，消除了横向力影响，分辨率高且不易损伤样品表面，但是其扫描速度、灵敏度有待提高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种原子力显微镜探针模态形状的优化设计方法，提升了一阶轻敲模式下原子力显微镜的检测灵敏度，同时对扫描速度不造成影响。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种原子力显微镜探针模态形状优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将原子力显微镜探针简化成为长度、宽度和厚度分别为L、w、h且带有集中质量点的悬臂梁，集中质量点质量为探针针尖质量，然后沿厚度方向将悬臂梁分为三层，中间层为厚度为t的非设计层，上下两层均为设计层且上下对称；

(2)根据悬臂梁探针结构进行有限元建模：以固定端为坐标原点，沿长度L方向将悬臂梁离散成等长度的Euler-Bernoulli梁单元结构，得到单元相应结点及坐标，Euler-Bernoulli梁单元结点的纵坐标y₁,y₂,y₃,......y_n,y_n+1为0，将设计层的结构单元宽度定义为设计变量其中n表示离散的单元个数并且n为正整数；