CN105467160A - 一种射频探针原子力显微镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用射频探针高速扫描样品表面的方法，以及基于该方法搭建的一种原子力显微系统。该系统包括射频探针(1)、射频谐振电路(2)、射频读出电路(3)、石英音叉探测器(4)、音叉调控电路(5)、XYZ三维样品台(6)、原子力显微镜控制器(7)及其他电学仪器设备，如射频信号发生器、前置放大器、万用表等(8)。将射频探针与石英音叉探测器组装，通过石英音叉探测器的信号进行反馈，控制针尖和样品之间的间距。将探针上的射频传输线与射频谐振电路上的电感连接形成LC射频谐振电路，利用射频谐振电路对电抗(容抗和阻抗)的敏感特性，当探针针尖在样品表面逐点扫描时，将会引起谐振电路谐振频率的变化，利用此谐振频率作为反馈信号，从而实现样品表面形貌成像。

Description

一种射频探针原子力显微镜系统

技术领域

本发明涉及一种利用射频探针对材料表面进行扫描成像的方法，尤其涉及一种射频探针原子力显微镜系统，属于微观形貌成像领域。

背景技术

原子力显微镜(AtomicForceMicroscope，简称AFM)是一种用来研究材料表面结构的分析仪器，利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力来来呈现样品的表面特性，可对导体、半导体、绝缘体等表面进行微纳米精度的成像，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，是一种强有力的表征手段。AFM的工作原理是通过检测原子之间的接触、原子键合、范德瓦耳斯力或卡西米尔效应等来呈现样品的表面特性。将对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的悬臂梁将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，通过检测悬臂梁对应于扫描各点的位置变化，可以获得样品表面形貌的信息。

相对于扫描电子显微镜，AFM具有许多优点：(1)AFM可提供真正的三维表面图；(2)AFM不需要对样品进行任何特殊处理；(3)对工作环境要求低，可在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。

目前，常用的AFM是通过激光、四象限光电检测器、音叉等来检测原子间的作用力，从而获得被测物体的表面信息。常规AFM系统由于需要光学或力学系统检测悬臂梁形变，通常采用接触模式、非接触模式和敲击模式三种主要操作模式，常会造成样品及探针针尖的损伤，受探头的影响太大，且扫描速度较慢。

本发明的目的就是针对现有技术上的不足，提供一种新的AFM扫描成像方法，可在非接触模式下对样品表面进行形貌扫描，没有力作用于样品表面，有效地避免了样品表面与探针针尖的接触所固有的损伤。同时，通过射频谐振频率作为信号反馈，利用射频电路的高速特性，实现了高速扫描成像的功能。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明的目的旨在提供一种利用射频探针高速扫描材料表面的扫描成像方法，解决了常规的原子力显微系统的上述弊端。利用射频谐振电路的谐振频率进行信号反馈，从而实现高速扫描成像的功能。没有力作用于样品表面，不会损伤样品表面和针尖。

本发明还提供了一种基于该方法搭建的原子力显微系统。

本发明通过如下技术方案实现：

一种射频探针AFM系统，包括射频探针、射频谐振电路、射频读出电路、石英音叉探测器、音叉调控电路、XYZ三维样品台、AFM控制器及其他电学仪器设备，如射频信号发生器、前置放大器、万用表等。所述的射频探针作为一种AFM探针用于扫描样品表面，探针躯干上集成有射频传输线，用于射频信号的输入、输出及接地；所述的射频谐振电路与射频探针上的微带线相连，形成LC射频谐振电路，利用射频共振电路对电抗(容抗和阻抗)的敏感特性，当探针针尖在样品表面逐点扫描时，将会引起谐振电路谐振频率的变化，通过射频驱动和探测电路将谐振频率信号输入AFM的反馈信号通道，从而实现样品表面形貌成像；所述的射频读出电路包括功率分配器、衰减器、低噪声放大器、混频器和低通滤波器等，负责射频馈入信号的分配、衰减、射频信号的混频、滤波和放大检测，用于驱动射频探针、扫描时的射频谐振信号的高速读出；所述的XYZ三维样品台，用于放置并移动样品，实现三维形貌扫描成像；所述的石英音叉探测器与探针集成，并与音叉调控电路相连，用于控制原子力显微针尖和样品间距；所述的XYZ三维样品台用于承放被测样品；所述的AFM控制器包括信号处理单元和扫描控制器，所述扫描控制器与石英音叉信号、及XYZ三维样品台相连，所述信号处理单元与射频探针及射频读出电路信号相连，实现信号的转换及传输，进行样品表面形貌的成像和显示。

该射频探针AFM系统的工作实现方式是：首先将射频探针粘在石英音叉的一个侧壁上；音叉探测的两个电极接入音叉调控电路中，音叉调控电路与AFM控制器相连，利用石英音叉的压电效应来表征样品和针尖间的相互作用力，其输出电信号作为反馈信号来控制样品和针尖间的间距；然后，将射频探针躯干上的射频传输线与射频谐振电路相连，并接入射频读出电路中，并与AFM控制器相连；将样品放置于XYZ三维样品台上，控制探针的针尖纵向接近样品表面，当针尖与样品间距足够小而产生原子力作用时，石英音叉探测器将会探测到悬臂梁的弯曲，从而控制探针针尖与被测样品表面的距离；使探针处于非接触模式下，启动射频探针扫描反馈控制系统；在样品扫描时，XYZ三维样品台改变样品的空间位置，由于样品表面与射频探针的电容耦合作用，耦合电容随随样品表面形貌而波动，由于射频共振电路对电抗(容抗和阻抗)的敏感特性，当探针针尖在样品表面逐点扫描时，射频谐振电路的谐振频率也将随之偏移；将谐振频率作为反馈信号输入至AFM控制器中，通过信号的处理及转换，实现样品表面形貌的成像和显示，获得被测样品表面的信息。

本发明以常规的AFM为基础，把射频谐振电路与常规的AFM探针相集成，利用射频谐振电路对电抗(容抗和阻抗)的敏感特性，将扫描时射频谐振电路的谐振频率作为反馈信号，大大提高了扫描速度。该方法继承了常规AFM的功能和射频电路的高速特性，既可利用音叉信号进行反馈，对样品扫描；又可利用射频信号进行反馈，实现了高速扫描成像的功能，且在非接触模式下，有效地避免了扫描时样品表面与探针针尖的损伤。

附图说明

图1是本发明提供的一个射频探针AFM系统实施案例的结构框图；

图中各标记分别代表的是：1-射频原子力探针，2-射频谐振电路，3-射频读出电路，4-石英音叉探测器，5-音叉调控电路，6-XYZ三维样品台，7-AFM控制器，8-AFM系统的其他装备，如射频信号发生器、前置放大器、万用表等

图2是本发明提供的一种射频探针；

图中各标记分别代表的是：11-探针躯干，12-射频微带线

图3是探针与石英音叉组装的示意图；

图4是本发明的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示为本发明射频探针AFM系统的一个具体实施案例的结构框图，该射频探针AFM系统主要包括射频原子力探针1、射频谐振电路2、射频读出电路3、石英音叉探测器4、音叉调控电路5、XYZ三维样品台6、AFM控制器7以及其他装备8。其中，射频原子力探针1是该系统的核心。

该射频探针1的可以是悬臂梁式或非悬臂梁式的硅探针、纤维探针、Si₃N₄探针，如图2探针的躯干11上集成有射频传输线12。

该XYZ三维样品台6用于放置待检测表面形貌的样品，并可以使样品产生X、Y、Z三维位移，实现样品的三维扫描。

该AFM控制器7用于扫描控制及信号的处理，实现信号的转换及传输，进行样品表面形貌的成像和显示。

该石英音叉探测器4采用电路中常用的谐振频率为32.768kHz的石英晶振，用胶水将探针1装配至音叉4的一个侧壁上，如图3所示，探针1针尖方向可以与音叉4电极表面方向垂直或平行。将音叉4的两个电极接入音叉调控电路5中，并将此音叉调控电路5接入AFM控制器7上，利用石英音叉4的压电效应来表征样品与针尖间的相互作用力。将样品置放于XYZ三维样品台6上，当AFM工作时，控制探针的针尖纵向接近样品表面，通过其他电学仪器设备8驱动和检测该反馈信号，并将信号反馈至AFM控制器7，从而控制探针针尖与样品间的距离(如使样品与针尖保持恒高)。

通过封装技术，将射频探针1上的射频微带线12与射频谐振电路2上的电感连接，然后将此谐振电路接入射频读出电路3中。将集成后的射频探针1通过石英音叉4趋近样品表面，进行形貌扫描。如图4本发明射频探针AFM系统的工作原理图所示，在非接触模式(如恒高模式)下，射频探针1通过电容耦合与样品表面耦合，由于与射频探针1集成后的射频共振电路2对电抗(容抗和阻抗)的变化极其敏感，当探针针尖在样品表面逐点扫描时，耦合电容随样品表面形貌而波动，从而引起射频电路的谐振频率的变化。通过其他电学仪器设备8驱动射频谐振电路，并通过射频读出电路3高速读出谐振频率信号，将谐振频率作为反馈信号传输至AFM控制器7中，并经过信号的处理，实现样品表面形貌的成像和显示。

本发明是以常规的AFM为基础，除了可利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力达到检测的目的外。本发明还对以下进行了改进，将射频谐振电路2与常规的AFM探针相集成，利用射频共振电路对电抗(容抗和阻抗)的敏感特性，将谐振频率作为反馈，实现高速扫描的功能。相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：继承了射频电路高速的特征，扫描速度快；可在非接触模式下工作，避免了样品表面和探针针尖的损伤。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种利用射频探针扫描材料表面的方法，其特征在于：将探针躯干上的射频传输线与射频谐振电路上的射频电感连接形成LC射频谐振电路，利用射频谐振电路对电抗(容抗和阻抗)的敏感特性，当探针针尖在样品表面逐点扫描时，引起谐振电路谐振频率的变化，通过射频读出电路高速读出频率信号，并将谐振频率信号输入原子力显微镜的反馈信号通道中，通过信号处理，从而实现样品表面形貌成像。

2.一种射频探针原子力显微镜系统，包括射频探针、射频谐振电路、射频读出电路、石英音叉探测器、音叉调控电路、XYZ三维样品台、原子力显微镜控制器、及其他电学仪器设备，如射频信号发生器、前置放大器、万用表等。其中，所述的射频探针作为一种原子力显微镜探针用于扫描样品表面；所述的射频谐振电路用于与射频探针上的微带线集成形成LC射频谐振电路；所述的射频读出电路包括功率分配器、衰减器、低噪声放大器、混频器和低通滤波器等，负责射频输入信号的分配、衰减、射频信号的混频、滤波和放大检测，用于驱动射频探针、检测并高速读出扫描时的射频谐振信号；所述的XYZ三维样品台，用于放置并移动样品，实现三维形貌扫描成像；所述的原子力显微镜控制器包括信号处理单元和扫描控制器，结合所述的石英音叉探测器、音叉调控电路、及XYZ三维样品台可用于控制原子力显微针尖和样品间距，并实现信号的转换及传输，最终实现样品表面形貌的成像和显示。

其特征在于：将针尖装在一个表面涂有胶水的石英音叉臂上，将音叉两个电极接入到音叉调控电路，将集成后的音叉组装至原子力显微镜控制器上，通过石英音叉探测器的信号进行反馈，控制针尖和样品之间处于恒定作用力，用来控制针尖和样品的间距。利用与音叉集成的射频探针对样品进行形貌扫描，通过反馈至原子力显微镜控制器的射频谐振信号，得到样品各点的高度，并将信号传送至信号处理单元，进行样品表面形貌的成像和显示。

3.根据权利要求1所述的一种射频探针，其特征在于探针躯干上集成有射频传输线。

4.根据权利要求1所述的一种射频探针，其针尖可以是悬臂梁式或非悬臂梁式的硅探针、纤维探针、Si₃N₄探针。

5.根据权利要求2所述的一种射频探针原子力显微镜系统，其针尖可以是悬臂梁式或非悬臂梁式的硅探针、纤维探针、Si₃N₄探针。

6.根据权利要求1-2所述的一种射频谐振电路，其特征在于该射频谐振电路上集成有射频电感，与射频探针上的射频传输线连接后形成透射式或反射式LC射频谐振电路，提供射频信号的输入及输出。

7.根据权利要求1-6所述的一种射频探针原子力显微镜系统，针尖集成至原子力显微镜系统的工序为：在音叉臂上涂上胶水，将探针与粘有胶水的音叉组装在一起，然后将与音叉集成后的探针躯干上的射频传输线通过引线，与射频谐振电路上的射频电感连接，形成射频原子力探针的复合体。

8.根据权利要求1-7所述的一种射频探针原子力显微镜系统，与音叉集成的探针，其针尖方向可以和音叉电极表面方向垂直或平行，使石英音叉探测器处于轻敲或剪切力模式。

9.根据权利要求1-8所述的一种射频探针原子力显微镜系统，利用音叉控制探针针尖与样品表面的间距，所处的扫描模式可以为非接触模式。

10.根据权利要求1-9所述的一种射频探针原子力显微镜系统，其针尖既可接触样品表面，通过音叉形变进行信号的反馈，也可在非接触模式下，利用射频信号进行反馈。