專利名稱：探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及掃描探針顯微鏡，具體說是一種探針固定而樣品振蕩型掃描力顯微鏡鏡體。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的掃描力顯微鏡(scanning force microscope,簡(jiǎn)稱SFM)，包括原子力顯微鏡和 磁力顯微鏡等，其探針(tip)都是固定于探針微桿(cantilever)的一端，并隨探針微桿 的振蕩而振蕩，而樣品是不振蕩的。探針與樣品間的作用力變化由探針微桿的振蕩頻率的變 化給出。這導(dǎo)致四個(gè)重大難題(1)探針和探針微桿的集成非常困難，通常要用到微加工和 光刻技術(shù)，導(dǎo)致其成本高到難以忍受。例如壓阻(piezo-resistive)探針的價(jià)格就高達(dá) 捌佰元人民幣一枚。這使得SFM雖已強(qiáng)大到具有亞原子分辨能力，但其應(yīng)用與普及大大受限。 (2)更重要的是，價(jià)廉物美的探針并不是沒有，如掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope,簡(jiǎn)稱STM)的探針，不僅制作容易，也更尖銳、更有優(yōu)越性，但卻難為SFM所用， 因?yàn)楝F(xiàn)有SFM都離不開探針微桿，而探針微桿很細(xì)小，將腐蝕好的分立的STM探針固定到細(xì) 小的探針微桿上是很困難的。如果能擺脫SFM對(duì)探針微桿的依賴，就不需專門研制新型SFM 探針，直接就能使用如STM探針等各種已有的、技術(shù)成熟、性能優(yōu)越的探針，使SFM迅速普 及。(3)傳統(tǒng)SFM使用探針微桿產(chǎn)生的振蕩一般品質(zhì)因子Q不高，不利于獲得很高的測(cè)量靈 敏度。(4)傳統(tǒng)SFM使用探針微桿產(chǎn)生的振蕩一般振幅較大，不利于獲得很高的短程力測(cè)量 靈敏度，而短程力測(cè)量靈敏度的下降直接降低SFM的原子分辨能力。 發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中掃描力顯微鏡探針制作困難，且又不能使用無微桿探針的難題，提 供一種探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體。
本實(shí)用新型克服現(xiàn)有技術(shù)中掃描力顯微鏡探針制作困難和不能使用無微桿探針的技術(shù)方
案是
本實(shí)用新型探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體，包括探針、樣品、振子、 定位器，定位器設(shè)置于探針與振子之間，探針指向固定于振子上的樣品。
所述的定位器由XYZ定位壓電管以及分別設(shè)置在其兩端的探針座和振子座構(gòu)成，探針固 定在探針座上，振子固定在振子座上。
所述的探針是分立的無微桿探針。所述的振子是壓電振子。
所述的壓電振子是晶體振子。
所述的晶體振子是石英晶振片或石英微叉。
所述的定位器與振子之間增設(shè)輔助振子。
所述的輔助振子是壓電振子。
本實(shí)用新型探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體的工作原理為
樣品固定于振子上，探針指向樣品，探針與樣品間的位置調(diào)節(jié)由定位器完成。因?yàn)檎褡?是驅(qū)動(dòng)樣品振蕩，而探針不振，所以探針可以是無微桿的分立探針?，F(xiàn)有技術(shù)中樣品對(duì)振蕩 探針的作用力的變化導(dǎo)致探針振蕩的本征頻率發(fā)生變化；對(duì)該頻率變化進(jìn)行測(cè)量可獲得成像 信號(hào)。本實(shí)用新型利用作用力與反作用力原理探針對(duì)振蕩樣品的反作用力的變化也能導(dǎo)致 樣品振蕩的本征頻率發(fā)生變化，通過測(cè)量該頻率的變化獲得成像信號(hào)。
傳統(tǒng)SFM使用探針微桿的好處是能利用微桿的低倔強(qiáng)系數(shù)K來降低振蕩頻率，從而提高 探針測(cè)量力的變化的靈敏度，但也有兩個(gè)缺點(diǎn)(1)微桿振蕩的品質(zhì)因子Q不高，從而降低 探針測(cè)量力的變化的靈敏度；(2)微桿振蕩的振幅較大，導(dǎo)致探針測(cè)量短程力的靈敏度下降， 不利于原子分辨。本實(shí)用新型振蕩樣品的振子可選用晶體振子，其倔強(qiáng)系數(shù)K雖比微桿的高 l到2個(gè)量級(jí)，對(duì)測(cè)量靈敏度不利，但好處是(1)其品質(zhì)因子Q (可達(dá)106)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微桿 的品質(zhì)因子(幾千)，大大有利于提高測(cè)量靈敏度，完全是利大于弊；(2)其振幅較小，有利 于提高短程力測(cè)量的靈敏度，提高原子分辨質(zhì)量。
現(xiàn)代晶體振子極高的振蕩品質(zhì)因子已被成功用于精確測(cè)量納米級(jí)超薄薄膜的厚度，其頻 率分辨能力遠(yuǎn)高于SFM原子成像所需的約0. 1赫茲的頻率分辨率，將比傳統(tǒng)使用探針微桿的 SFM具有更高的靈敏度與精度。由于探針不需要固定在探針微桿上，原則上可以使用任何形 式的探針，包括STM探針。
上述定位器與振子之間可增設(shè)輔助振子來帶動(dòng)振子振動(dòng)。輔助振子的作用是(1)使振 子起振容易，振幅易控，(2)可獲得小振幅振蕩，有利于提高短程力的測(cè)量靈敏度，改善原 子分辨成像質(zhì)量。
與已有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果體現(xiàn)在
(1) 可以使用無微桿的分立探針，如更尖銳、針形更好的STM探針，制成性能更好的SFM。
(2) 探針成本大大降低，有利于SFM的迅速普及。
(3) 使用晶體振子時(shí)的品質(zhì)因子高于傳統(tǒng)使用探針微桿的品質(zhì)因子，有利于更靈敏SFM的 出現(xiàn)。
(4) 有利于獲得小振幅振蕩，提高短程力的測(cè)量靈敏度，從而提高原子分辨能力。

圖1是本實(shí)用新型基本型探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本實(shí)用新型使用XYZ定位壓電管的探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡 體的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本實(shí)用新型使用石英微叉振子的探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體 的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本實(shí)用新型增設(shè)輔助振子的探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體的結(jié) 構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)1探針、2樣品、3振子、4定位器、5探針座、6振子座、7XYZ定位壓電 管、8石英微叉振子、9輔助振子。
以下通過具體實(shí)施方式
，結(jié)構(gòu)附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:基本型探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體。
圖1是基本型探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體的結(jié)構(gòu)示意圖，定位器4設(shè)
置于探針1與振子3之間，探針1指向固定于振子3上的樣品2。
工作時(shí)，定位器4用于探針1與樣品2之間的定位、掃描、以及探針-樣品間隙調(diào)節(jié)。探 針1與樣品2間作用力的變化由振子動(dòng)態(tài)本征頻率的變化給出。
實(shí)施例2:使用XYZ定位壓電管的探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體。
上述實(shí)施例1中的定位器4由XYZ定位壓電管7以及分別設(shè)置在其兩端的探針座5和振 子座6構(gòu)成，如圖2，振子3固定在振子座6上，探針1固定在探針座5上并指向固定在振 子3上的樣品2，這樣XYZ定位壓電管7便可完成探針1與樣品2之間的定位、掃描、以及 探針-樣品間隙調(diào)節(jié)。探針1與樣品2間作用力的變化由振子動(dòng)態(tài)本征頻率的變化給出。
實(shí)施例3:使用石英微叉振子的探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體。
上述實(shí)施例中的振子3可以是壓電振子，以晶體振子特別是石英振子為佳。石英振子又 可為片狀或微叉型(tuning fork)。圖3是使用石英微叉振子8的探針固定而樣品振蕩型無微
桿掃描力顯微鏡鏡體的結(jié)構(gòu)示意圖。
實(shí)施例4:增設(shè)輔助振子的探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體。
上述實(shí)施例中的定位器4與振子3之間也可增設(shè)輔助振子9，從而可由輔助振子9帶動(dòng)振
子3振動(dòng)，具體結(jié)構(gòu)見圖4。輔助振子9可使振子3的振幅易控，起振容易；可獲得小振幅
振蕩，提高短程力的測(cè)量靈敏度，改善原子分辨能力。輔助振子9可以是壓電振子。
權(quán)利要求1、一種探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體，包括探針、樣品、振子、定位器，其特征在于定位器設(shè)置于探針與振子之間，探針指向固定于振子上的樣品。
2，根據(jù)權(quán)利要求1所述的探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體，其特征在于所述 的定位器由XYZ定位壓電管以及分別設(shè)置在其兩端的探針座和振子座構(gòu)成，探針固定在探針 座上，振子固定在振子座上。
3，根據(jù)權(quán)利要求1所述的探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體，其特征在于所述 的探針是分立的無微桿探針。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體，其特征在于所述 的振子是壓電振子。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體，其特征在于所述 的壓電振子是晶體振子。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體，其特征在于所述 的晶體振子是石英晶振片或石英微叉。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5或6所述的探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡 鏡體，其特征在于所述的定位器與振子之間增設(shè)輔助振子。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體，其特征在于所述 的輔助振子是壓電振子。
專利摘要本實(shí)用新型探針固定而樣品振蕩型無微桿掃描力顯微鏡鏡體涉及掃描探針顯微鏡，包括探針、樣品、振子、定位器，定位器設(shè)置于探針與振子之間，探針指向固定于振子上的樣品。定位器由XYZ定位壓電管及分別設(shè)置在其兩端的探針座和振子座構(gòu)成，探針與振子分別固定在探針座與振子座上。探針是分立的無微桿探針。振子為壓電振子、晶體振子、石英晶振片或石英微叉。本實(shí)用新型有益效果為可使用分立的無微桿探針，如性能優(yōu)越的STM探針；探針成本大大降低，利于性能更好掃描力顯微鏡的出現(xiàn)和普及；使用高品質(zhì)因子的晶體振子能提高頻率分辨率和測(cè)量精度；在定位器與振子間增設(shè)輔助振子還可獲得小振幅振蕩，提高短程力測(cè)量靈敏度和原子分辨能力。
文檔編號(hào)G01N13/10GK201311385SQ20082013042
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2008年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者侯玉斌, 飛 吳, 陸輕鈾 申請(qǐng)人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)