高次諧振型原子力顯微鏡微懸臂及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及多頻原子力顯微術領域，具體地，涉及一種高次諧振型原子力顯微鏡微懸臂及其制作方法。
【背景技術】
[0002]自1986年發明原子力顯微鏡以來，它已成為材料、生物以及納米科技等許多領域的重要工具。由于常規的原子力顯微鏡成像速度緩慢，在動態過程觀測、工業生產線原位測量以及高密度信息存儲等領域的應用受到限制。因此，高速發展原子力顯微術近年來已引起國內外的高度關注。不斷提高空間分辨率、數據采集速度以及實現材料性質的成像，一直以來就是原子力顯微術的發展目標。近些年發展的多頻原子力顯微術(Mult1-frequencyAFM，MF-AFM)，即在多個振動頻率下激勵和/或探測微懸臂的探針的振動信號來實現樣品表征等。這些振動頻率通常與微懸臂的高次諧波振動或多個本征模式有關，為高頻部分信號的獲取提供了重要的技術手段，促進了上述發展目標的實現。
[0003]然而，現有的原子力顯微術僅在微懸臂的基礎模式頻率下進行激勵和探測，而基礎模式頻率之外的頻率通常較高且信號強度遠小于基礎模式頻率部分，因此都被忽略了，導致包含在高頻部分相互作用力的信息也丟失了。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種高次諧振型原子力顯微鏡微懸臂及其制作方法。其中，所述制作方法通過改變高次諧振型微懸臂的幾何質量分布，以使得高次諧振型微懸臂的高階本征模式頻率為基礎模式頻率的整數倍，基于共振放大效應，大幅度提高高頻信號的信噪比，可以實現高頻信號的探測，獲得材料更多物性的表征。
[0005]為了實現上述目的，本發明提供一種高次諧振型微懸臂。所述高次諧振型微懸臂包括:固定端和自由端，所述固定端和所述自由端連成一體，所述固定端的厚度比所述自由端的厚度大d μ m，以使得所述高次諧振型微懸臂的高階本征模式頻率為基礎模式頻率的整數倍，其中，d為正有理數。
[0006]其中，所述自由端的長度和寬度分別與所述固定端的長度和寬度相等。
[0007]其中，所述高次諧振型微懸臂為高次諧振型硅微懸臂。
[0008]相應地，本發明還提供一種原子力顯微鏡。所述原子力顯微鏡包括高次諧振型微懸臂。
[0009]另一方面，本發明還提供另一種高次諧振型微懸臂。所述高次諧振型微懸臂包括:固定端和自由端，所述固定端和所述自由端連成一體，所述固定端的長度為所述自由端的長度的整數倍，且所述固定端的寬度比所述自由端的寬度小b μπι，以使得所述高次諧振型微懸臂的一階扭轉模式頻率和/或二階彎曲模式頻率為基礎模式頻率的整數倍，其中，b為正有理數。
[0010]其中，所述自由端的厚度與所述固定端的厚度相等。[0011 ] 其中，所述高次諧振型微懸臂為高次諧振型硅微懸臂。
[0012]相應地，本發明還提供一種原子力顯微鏡。所述原子力顯微鏡包括高次諧振型微懸臂。
[0013]相應地，本發明還提供一種高次諧振型微懸臂的制作方法。所述方法包括:改變所述高次諧振型微懸臂的幾何質量分布，以使得所述高次諧振型微懸臂的高階本征模式頻率為基礎模式頻率的整數倍。
[0014]其中，所述方法具體包括:利用微納加工技術對所述高次諧振型微懸臂進行加工制作，以獲得所需結構的高次諧振型微懸臂。
[0015]通過上述技術方案，讓高次諧振型微懸臂的固定端的厚度大于自由端的厚度，以使得所述高次諧振型微懸臂的高階本征模式頻率為基礎模式頻率的整數倍，基于共振放大效應，大幅度提高高頻信號的信噪比，可以實現除基礎模式頻率外高頻信號的探測，能夠提供很高的靈敏度和分辨率，從而實現高次諧振型微懸臂的針尖與樣品之間力的非線性以及樣品更多物性的探測和研究。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明提供的高次諧振型微懸臂的第一實施方式的結構示意圖；
[0017]圖2是現有的微懸臂與高次諧振型微懸臂的第一實施方式在相同作用力下的傳遞函數曲線圖；
[0018]圖3是本發明提供的高次諧振型微懸臂的第二實施方式的結構示意圖；
[0019]圖4是高次諧振型微懸臂的第二實施方式的一階扭轉模式頻率和二階彎曲模式頻率分別與基礎模式頻率的比隨自由端寬度變化的曲線圖；
[0020]圖5是高次諧振型微懸臂的第二實施方式在相同作用力下的傳遞函數曲線圖。
【具體實施方式】
[0021]以下結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的【具體實施方式】僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發明。
[0022]現有的原子力顯微術僅在微懸臂的基礎模式頻率下進行激勵和探測，而基礎模式頻率之外的頻率通常較高且信號強度遠小于基礎模式頻率部分，因此都被忽略了，導致包含在高頻部分相互作用力的信息也丟失了。因此，本發明特提供一種高次諧振型微懸臂。
[0023]本發明提供的高次諧振型微懸臂包括:固定端和自由端，所述固定端和所述自由端連成一體，所述固定端的厚度比所述自由端的厚度大dym，以使得所述高次諧振型微懸臂的高階本征模式頻率為基礎模式頻率的整數倍，其中，d為正有理數。具體地，所述自由端的長度和寬度分別與所述固定端的長度和寬度相等，且所述高次諧振型微懸臂為高次諧振型硅微懸臂。藉此，所述高次諧振型微懸臂的高階本征模式頻率為基礎模式頻率的整數倍，基于共振放大效應，大幅度提高高頻信號的信噪比，可以實現除基礎模式頻率外高頻信號的探測，能夠提供很高的靈敏度和分辨率，從而實現高次諧振型微懸臂的針尖與樣品之間力的非線性以及樣品更多物性的探測和研究。
[0024]相應地，本發明還提供一種原子力顯微鏡。所述原子力顯微鏡包括以上所述的高次諧振型微懸臂。
[0025]圖1是本發明提供的高次諧振型微懸臂的第一實施方式的結構示意圖。如圖1所示，高次諧振型微懸臂的第一實施方式為臺階型高次諧振硅微懸臂。其中，自由端的厚度匕為1 μπι，自由端的寬度W為40 μm，自由端的長度12為100 μπι,固定端的長度1丨為100 μπι,固定端的寬度W為40 μπι，固定端的厚度比為1.7 μπι。
[0026]在具體的實施方式中，根據原子力顯微術常用的微懸臂，設置原始的硅微懸臂的幾何尺寸為200*40*2 μπι。然后，采用改變微懸臂幾何質量分布的方法來實現臺階型高次諧振硅微懸臂的設計。在設計的過程中，通過改變微懸臂固定端和自由端的厚度，以使得微懸臂固定端的厚度大于微懸臂自由端的厚度，從而實現高階本征模式與基礎模式之間的整數耦合。具體地，利用微納加工技術對原始硅微懸臂進行切割加工，完成臺階型高次諧振硅微懸臂的制作。需要說明的是，設計過程中，臺階型高次諧振硅微懸臂的厚度不僅要滿足頻率間的整數倍耦合，而且還要保證其上探針的易操作性及微懸臂除頻率外其它特性的適用性。經過ANSYS軟件的分析，調諧微懸臂的高階本征模式與基礎模式之間的耦合關系。
[0027]圖2是現有的微懸臂與高次諧振型微懸臂的第一實施方式在相同作用力下的傳遞函數曲線圖。如圖2所示，橫坐標表示歸一化微懸臂的振蕩頻率，縱坐標表示響應幅值(對數值)。其中，臺階型高次諧振硅微懸臂所對應的傳遞函數曲線(頻率響應)是在微懸臂的二階彎曲模式頻率與基礎模式頻率(一階彎曲模式頻率)成4倍的關系下得到的，常規矩形硅微懸臂所對應的傳遞函數曲線(頻率響應)是在微懸臂的二階彎曲模式頻率與基礎模式頻率(一階彎曲模式頻率)成6.27倍的關系下得到的。由圖2能夠得到，在高階本征模式頻率與基礎模式頻率成整數倍關系的情況下，基于共振放大效應，能夠大幅度提高高頻信號的信噪比，能夠實現高頻信號的探測。
[0028]另一方面，本發明還提供另一種高次諧振型微懸臂。所述高次諧振型微懸臂包括:固定端和自由端，所述固定端和所述自由端連成一體，所述固定端的長度為所述自由端的長度的整數倍，且所述固定端的寬度比所述自由端的寬度小b μπι，以使得所述高次諧振型微懸臂的一階扭轉模式頻率和/或二階彎曲模式頻率為基礎模式頻率的整數倍，其中，b為正有理數。具體地，所述自由端的厚度與所述固定端的厚度相等，且所述高次諧振型微懸臂為高次諧振型硅微懸臂。藉此，在利用調諧的高階彎曲模式實現高次諧振成像的同時，還可以結合扭轉諧振來實現更多性質的探測。
[0029]相應地，本發明還提供一種原子力顯微鏡。所述原子力顯微鏡包括以上另一方面所述的高次諧振型微懸臂。