前置放大懸臂及其應用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的方面針對材料的壓電響應力分析。向材料上的接觸點施加包括第一頻率分量的刺激信號，以使得刺激信號致動材料的一部分，從而作為壓電效應的結果而經(jīng)歷運動。諧振設備耦合至接觸點，以使得諧振設備響應于材料的運動而經(jīng)歷在第一頻率分量處的諧振運動，并且基本上不受接觸點處的材料的機械屬性的影響，其中，該諧振運動具有比材料的運動的位移更大的位移。檢測并處理諧振設備的諧振運動，從而產(chǎn)生表示接觸點處的材料的壓電響應的測量。
【專利說明】前置放大懸臂及其應用
[0001]在先申請
[0002]本申請要求2008 年 5 月 23 日提交的題為 “PREAMPLIFHNG CANTILEVERS FORPIEZORESPONSE FORCE MICROSCOPY(用于壓電響應力顯微術的前置放大懸臂)”的美國臨時申請第61/055，925號的優(yōu)先權，其全部內(nèi)容通過引用合并在本文中。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明一般地涉及掃描探針顯微術及相關的諸如數(shù)據(jù)存儲的應用，并且更特別地，涉及樣本表面被致動(actuate)產(chǎn)生待測量的運動的掃描探針顯微術技術，例如，諸如壓電響應力顯微術裝置和技術。
【背景技術】
[0004]壓電響應力顯微術(Piezoresponse Force Microscopy, PFM)是接觸式掃描探針顯微術(Scanning Probe Microscopy, SPM)技術,其最基本形式被用來測量鐵電材料和壓電材料的平面內(nèi)位移響應和平面外位移響應。為了簡單起見，下文中一般將用術語壓電來表示具有壓電屬性的、包括鐵電材料的材料。PFM技術基于逆壓電效應，在逆壓電效應中，當向壓電材料施加電場時，該材料會擴展或收縮。PFM是SPM技術的更加通用的子集的示例，其中，SPM技術作為測量技術的一部分對被致動的致動材料的表面運動進行研究。
[0005]在 Shijie ffu, Application Note:Piezoresponse Force Microscopy, AgilentTechnologies (2007)中概括地描述了 PFM，其內(nèi)容通過引用合并到本文中。在PFM中，掃描探針顯微鏡探查樣本對所施加電場的機械響應。用于PFM的接觸技術和非接觸技術都是公知的。PFM使得能夠在納米級和亞納米級測量和表征材料的壓電行為(behavior)。例如，PFM可以在各個納米級顆粒的水平上測量材料的機電響應。PFM被示出為用亞納米橫向分辨率來描繪不同壓電響應的區(qū)域。
[0006]在PFM中，微電機探針通常位于懸臂的末端。用在PFM中的探針尖端通常由導電材料制成或者涂有導電材料，這是因為這種導電性便于探針尖端和被分析的材料的樣本之間的電接觸。在接觸式PFM中，向被保持為與樣本表面接觸的探針尖端施加具有可選直流(Direct Current, DC)補償偏置(offset bias)的交流(Alternating Current,AC)刺激信號，并且使用諸如例如干涉法(inferometry)、掃描隧道顯微術(ScanningTunneling Microscopy, STM)技術、壓電傳感器和光束技術的公知檢測技術,根據(jù)懸臂的撓度(deflection)來測量該樣本的壓電響應。
[0007]可以檢測垂直運動(S卩，與被測量的表面垂直)以及橫向運動(即，與表面平行)。PFM可以產(chǎn)生樣本表面的形貌圖像、表示壓電材料的顆粒的壓電屬性的壓電響應圖像和表示顆粒的極性定向的相位圖像。PFM在研究鐵電體的納米級壓電屬性方面特別有用，其中，鐵電體因為其在光電子、傳感器和高密度存儲器的應用而成為深入研究和開發(fā)的主體。PFM的橫向分辨率提供了與薄鐵電膜的機電行為有關的、高度定位的信息。
[0008]對運動的幅度和相位進行檢測。這種測量技術允許對樣本的壓電響應(piezoresponse, PR)向量進行量化。懸臂響應于材料樣本的PR的運動的位移通常大約為所施加的交流刺激的每伏特的皮米數(shù)。檢測并處理這些位移來產(chǎn)生PFM測量。由于位移非常小，并且存在實際中不可避免地會遇到的電噪聲，所以傳統(tǒng)的PFM經(jīng)受差的信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)。通過增加交流刺激的幅度來改善信噪比存在實際的限制。對于不同的材料，超過一定的電壓易于對壓電疇(piezoelectric domain)進行再極化,從而改變被測量的屬性。因此，必須保持刺激信號的幅度是低的，從而通常被迫使用鎖相放大器。實際上，用傳統(tǒng)技術尤其難以測量對激勵信號表現(xiàn)出高的再極化靈敏度的某些材料。
[0009]在傳統(tǒng)的PFM技術中，所施加的交流刺激信號的頻率被設計成遠低于懸臂的基本諧振頻率，以便避免驅動懸臂進入諧振振蕩。這樣做主要是為了便于信號處理，這是因為分析系統(tǒng)對表示檢測到的運動的信號進行放大的能力是由信號的品質因子Q確定的。以遠低于懸臂的第一諧振的頻率來驅動樣本的接觸式測量裝置的Q等于單位一(unity)。
[0010]近來，基于接觸諧振PFM的技術已經(jīng)有所發(fā)展。接觸諧振頻率是包括與振蕩表面所接觸的掃描探針顯微鏡(SPM)探針的系統(tǒng)達到諧振的頻率。接觸諧振PFM用于放大平面外響應并且也用于測量鐵電薄膜材料的高階機電系數(shù)，從而增加這些測量的SNR。
[0011]雖然接觸式諧振技術提供了一些優(yōu)點，但是它們也引入了一些限制。這些限制包括懸臂的慣性和樣本的彈性響應被耦合到所測量的信號中。此外，接觸諧振特性包括復振動模式(complex vibration mode),除了懸臂自身的幾何的影響之外,其還受到探針與樣本之間的接觸區(qū)域的影響。因此，即使在同一樣本上，振蕩的諧振頻率和品質因子Q也會隨各點而明顯變化。結果是不幸地將偽像引入到了 PFM測量中。這些影響在物理上是難以量化和校正的，因此當解釋接觸諧振PFM數(shù)據(jù)時提出了難題。
[0012]此外，某些類型的PFM分析是簡單的，不可能使用已知的接觸諧振技術。例如，接觸諧振通常利用超過IOOkHz的諧振頻率，這使得接觸諧振不適合用于測量壓電領域中的平面內(nèi)運動，這是因為探針尖端在這些頻率沒有保持在表面。
[0013]在掃描探針顯微鏡的諸如沖擊式納米機械分析的其它應用中，特別地，已經(jīng)開發(fā)了用來在抑制激勵信號的同時放大高階諧波的技術。在Turner等人的WIPO公布第WO20071095360號中，描述了各種前置放大懸臂，用于納米機械屬性的動態(tài)分析，其中，在輕敲模式(tapping mode)中，在以輕敲模式工作的壓痕懸臂(indentation cantilever)或致動器的末端處的探針尖端以特定激勵頻率重復敲擊樣本材料。沖擊生成了 Turner等人的前置放大懸臂旨在放大的高階振蕩，同時抑制了激勵頻率。雖然Turner等人用諧振原理實現(xiàn)了某些種類的機械前置放大，但是他們的方法沒有解決由樣本的機械屬性耦合到PFM測量中所引入的難題。相反，Turner等人所討論的主要應用具體地旨在測量樣本的機械屬性。因此，Turner等人幾乎沒有提供解決特定于PFM和類似應用的問題的指導，其中，在類似應用中，期望使樣本的機械屬性與測量去耦合。
[0014]鑒于以上所討論的難題，并考慮到增強PFM性能的其它難題，需要更加有效和高效的解決方案以用于改進PFM的準確度和靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的一個方面針對進行材料的納米級表面運動的分析，諸如壓電響應力分析。將包括第一頻率分量的刺激信號施加到材料的表面上的接觸點，以使得刺激信號致動材料的一部分，從而作為材料換能(例如，諸如通過壓電效應)的結果而產(chǎn)生運動。將諧振設備剛性地耦合至接觸點，以使得基本上材料的所有被致動的運動都被傳遞到諧振設備(即，沒有任何可檢測的阻尼或附加彈簧或諧振作用)，并且使得諧振設備響應于材料的運動而經(jīng)歷在第一頻率分量處的諧振運動，并且基本上不受接觸點處的材料的機械屬性的影響，其中，該諧振運動具有比材料的運動的位移更大的位移。檢測并處理諧振設備的諧振運動，從而產(chǎn)生表示接觸點處的材料的被致動運動的測量。
[0016]本發(fā)明的另一方面針對用于與掃描探針顯微鏡(SPM) —起使用的前置放大懸臂裝置。該裝置包括主懸臂部分，主懸臂部分具有由第一端和第二端限定的第一操作長度，其中，第一端被形成為使得(當被可操作地安裝在PFM中的時候)主懸臂部分由第一端支撐。第二端具有適用于與鐵電材料的表面接觸的突出尖端。諧振器懸臂部分具有由第三端和第四端限定的第二操作長度，其中第三端連接到主懸臂部分。
[0017]主懸臂部分被形成為使得當前置放大懸臂被用在突出尖端與鐵電材料的剛性表面接觸的測量裝置中時，主懸臂部分表現(xiàn)出包括第一組基頻及其泛頻的第一組諧振特性，并且諧振器懸臂部分被形成為具有包括第二組基頻和對應泛頻的第二組諧振特性，所述第二組諧振特性基本不同于第一范圍的基頻以及與第一范圍的基頻對應的泛頻的至少大部分中的任何頻率，以使得當前置放大懸臂用在測量裝置中時，諧振器懸臂的諧振運動基本上與主懸臂部分的任何諧振運動無耦合。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的、用于材料表面的被致動表面運動分析的測量裝置包括:信號發(fā)生器、電探針、諧振懸臂和檢測系統(tǒng)。信號發(fā)生器被構造成生成至少具有在第一頻率處的交流分量的刺激信號，該刺激信號適用于在測量期間致動材料的表面的一部分以產(chǎn)生被致動的運動。探針具有在接觸點處與材料的表面接觸的尖端，該接觸是經(jīng)由受控的探針-樣本相互作用來實現(xiàn)的。在測量期間具有固定端和自由端的諧振懸臂經(jīng)由具有充分剛性的機械耦合而在固定端處被固定到接觸點，以使得基本上材料的所有被致動的運動都被傳遞到諧振懸臂。檢測系統(tǒng)被配置為在測量期間檢測諧振懸臂的運動。
[0019]在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種用于測量材料的表面配置的系統(tǒng)。信號發(fā)生器被構造成生成至少具有在第一頻率處的交流分量的刺激信號，該刺激信號適用于致動材料的表面的一部分。探針尖端適用于在由探針尖端和材料的相對定位確立的可定位接觸點處與材料的表面接觸?；谔结樇舛撕筒牧系谋砻嬷g的恒定的相互作用力來定義接觸。定位系統(tǒng)可操作地耦合探針尖端和材料，并且被配置為:對探針尖端和材料的表面之間的相互作用力進行控制，并且對探針尖端和材料的相對定位進行調(diào)整，從而重定位接觸點。
[0020]提供了一種具有支撐段和諧振器段的前置放大懸臂；其中，支撐段是定位系統(tǒng)的一部分并且具有包括探針尖端的探針端；而諧振器段是與支撐段不同的段并且具有與支撐段的諧振特性基本不同的諧振特性，并且諧振器段具有耦合至探針尖端的第一端，以使得基本上探針尖端的所有運動都被傳遞到諧振器段(即沒有引入阻尼或附加諧振)。前置放大懸臂電耦合至信號發(fā)生器，以使得支撐段有利于信號通路的部分，并且檢測器被配置為檢測諧振器段的運動。系統(tǒng)被構造成使得在操作中，諧振器段的運動是由在接觸點處致動材料的刺激信號引起的。
【專利附圖】

【附圖說明】[0021]考慮到以下結合附圖對本發(fā)明的各個實施例的詳細描述，可以更加完整地理解本發(fā)明，在附圖中:
[0022]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的、使用諧振器設備實現(xiàn)PFM技術的測量裝置的圖。
[0023]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的前置放大懸臂(PAC)的透視圖。
[0024]圖3是示出根據(jù)另一個實施例的PAC的不同設計的平面視圖。
[0025]圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的諧振器輸出幅度的諧振增強的曲線圖。
[0026]圖5表示圖2的PAC的用于壓電響應力顯微術(PFM)的具體應用。
[0027]圖6和圖7是對在其接觸諧振工作的傳統(tǒng)MESP懸臂的性能與根據(jù)本發(fā)明的實施例工作的圖2的PAC的性能進行比較的曲線圖。
[0028]圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的其它實施例的PAC的各種可替換配置的彈簧質量圖(spring mass diagram)。
[0029]圖9示出了另一實施例，其中，與圖2的配置相比，PAC的諧振器位于探針尖端的對側。
[0030]圖10示出了根據(jù)一個實施例的、諧振器位于離軸90度的PAC的另一個變型。
[0031]圖11示出了根據(jù)實施例的、PAC諧振器位于與懸臂的操作軸成一定角度的又一個變型。
[0032]圖12示出了其它類型的實施例，其中，諧振器可以在主懸臂的平面外并且單個PAC上可以有多個諧振器。
[0033]圖13A和圖13B示出了針對扭轉運動的增加的靈敏度而設計的諧振器的示例實施例。
[0034]圖14圖解地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的、用于施加直流偏置來補償靜電效應的技術。
[0035]雖然本發(fā)明的各個方面可接受各種修改和可替換形式，但是其細節(jié)已經(jīng)在附圖中以示例示出并將詳細地對其進行描述。然而，應該理解的是，并不是意圖將本發(fā)明的各個方面限于所描述的特定實施例。相反，意圖在于覆蓋落入如所附權利要求所限定的本發(fā)明的各個方面的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等同物和替換。
【具體實施方式】
[0036]本發(fā)明的一方面針對特別適用于增強對受到引起表面運動的致動的實際材料的表面運動的測量的前置放大懸臂設計。另外的方面針對以在懸臂中使用機械前置放大為特征的技術。壓電響應力顯微術(PFM)是引起并測量這種表面運動的掃描探針顯微術(SPM)技術中的一類，并且為了簡單起見，以下描述以如下實施例為特征:其利用該類型的應用作為可以應用本發(fā)明原理的情形的代表示例。然而，發(fā)明人打算將從這些實施例明顯的原理應用于掃描探針顯微術的、本發(fā)明的方面所提供的益處也可適用的其它相關領域。例如，可以使用用于致動樣本表面的多種技術中的任何一種來應用本發(fā)明，所述技術包括但不限于產(chǎn)生壓電效應、熱力學效應、機電效應、磁效應、電致伸縮效應(electrorestrictiveeffect)或其任何組合的技術。因此，要求保護的發(fā)明的范圍不限于接觸式PFM實現(xiàn)，除非這種限制在某些權利要求中被明確地表明，在該情況下僅對這些權利要求做如此的限制。[0037]作為可以基于本發(fā)明的原理來修改的一些傳統(tǒng)PFM技術的示例，參見A.Gruverman, 0.Auciello 和 H.Tokumoto, “Imaging And Control of Domain Structuresin Ferroelectric Thin Films Via Scanning Force Microscopy，，，Annu.Rev.Mater.Sc1.1998.28:101-123,其內(nèi)容通過引用合并到本文中。另外，參見C.Harnagea,A.Pignolet, M.Alexe 和 D.Hesse, Higher-Order Electromechanical Response of ThinFilms by Contact Resonance Piezoresponse Force Microscopy, IEEE Transactionson Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol.53, N0.12,2309-2322 頁(2006年12月)，其內(nèi)容也通過引用合并到本文中。本發(fā)明的原理可以應用到那些傳統(tǒng)PFM技術的某些中(與本發(fā)明不兼容)或者應用到其它兼容的PFM技術中，從而利用由本發(fā)明的方面所提供的一個或多個益處，諸如改善的信噪比、準確度和對以前使用傳統(tǒng)技術不可測量的特別敏感的材料執(zhí)行PFM分析的能力。
[0038]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的測量裝置100的圖。測量裝置100利用了 PFM技術，其中，利用某些壓電屬性對具有這些壓電屬性的樣本102(例如，諸如鐵電膜)進行測量。探針104具有納米級銳度的尖端，該尖端在接觸點105處與鐵電材料的表面接觸。在SPM的情形中，接觸表示材料和探針尖端之間的一定程度的相互作用力，其可以是引力和/或斥力的形式。在本發(fā)明的一些方面的情形中，探針尖端和樣本之間的接觸通常是恒定的，并且具有充分的相互作用以使得接觸有效地是剛性的或準靜態(tài)的(即，基本上所有的表面運動都被傳遞到探針尖端，而任何阻尼或者像彈簧一樣的相互作用是微小的(marginal)或者甚至是檢測不到的)。在一種類型的實施例中，尖端104非常尖銳以至于接觸點105小于樣本102的單個壓電疇。探針104的尖端電耦合至信號發(fā)生器106，并且便于將信號發(fā)生器106的輸出傳輸?shù)浇佑|點105。信號發(fā)生器106生成在接觸點105處致動樣本102的刺激信號或者激勵信號。
[0039]刺激信號至少包括具有特定頻率和幅度的交流信號分量。在一個實施例中，在不干擾被研究的壓電疇的極化的情況下，幅度被調(diào)整為與實際的一樣大。因而，根據(jù)樣本102的特定材料來設置幅度。通常，幅度在IOOmV至10V之間；然而，也可以存在可使用該范圍之外的幅度的應用。信號發(fā)生器還可以產(chǎn)生刺激信號的直流分量，如圖1中的106’處所描繪的那樣。來自信號發(fā)生器106的刺激信號的信號通路包括樣本102、探針104、和支撐懸臂 108。
[0040]除了為刺激信號提供信號通路之外，支撐懸臂108還支撐探針104，并且是對探針104和樣本102的相互作用進行控制的定位系統(tǒng)的一部分。在一個實施例中，探針104與支撐懸臂108整體地形成，以使得探針104具有從懸臂108的表面突出的探針尖端。根據(jù)一種類型的實施例，支撐懸臂108具有固定的第二端。在另一個實施例中，支撐懸臂108被安裝到或者被機械耦合至定位致動器，諸如圖1中的IlOa處所描繪的致動器。當進行PFM測量并且探針104與樣本102接觸的時候，即使第二端耦合至定位致動器110a，第二端也保持固定。還應該理解，在測量裝置100中，在測量期間，支撐懸臂108從技術上講并不是結構意義上的懸臂，這是因為兩個端都剛性地耦合至樣本并且因此沒有自由端；然而，與SPM技術中的術語“懸臂”的通常用法相一致，即使在測量期間該術語也將用來指示元件108。
[0041]致動器I IOa可以用于相對于樣本102對懸臂108進行定位和重定位(從而將探針104定位到不同的接觸點105)。在一個實施例中，致動器IlOa包括用于在垂直于樣本102的表面的方向上移動懸臂108的Z致動器。在相關的實施例中，致動器IlOa包括一組X-Y致動器，用于沿著與樣本102的表面平行的方向移動懸臂108。致動器IlOa可以是壓電管的形式，或者可以是例如諸如壓電棧的任何其它適當類型的致動器，或者是二者的組合。其它類型的致動器當然將在本發(fā)明的精神內(nèi)。
[0042]在另一種類型的實施例中，使用機械耦合至樣本的致動器IlOb來實現(xiàn)探針108和樣本102的相對定位。致動器IlOb移動樣本而不移動懸臂108。與致動器IlOa類似，致動器IlOb可以包括X-Y方向或Z方向的各個致動器或者其任何組合，并且各個致動器可以是任何適當?shù)念愋?。致動器IlOa和IlOb還可以包括與各自的控制環(huán)相關聯(lián)的粗定位致動器和精確定位致動器二者。在相關的實施例中，系統(tǒng)100可以包括致動器I IOa和致動器IlOb的組合，諸如，例如，由致動器IlOb來提供X-Y運動，而由致動器IlOa來提供Z運動。定位致動器IlOa和IlOb受控于定位控制器112，根據(jù)一個實施例，定位控制器112被描繪為比例積分控制器。在各種其它的實施例中可以使用其它類型的定位控制。
[0043]當樣本102由刺激信號致動的時候，被激勵的一個或多個壓電疇引起接觸點105的運動，從而移動探針104。運動的方向與被探查的一個或多個壓電疇的定向相對應。不同于檢測探針尖端運動的傳統(tǒng)非諧振PFM技術、或者用刺激信號驅動支撐懸臂108進入諧振振蕩并檢測振蕩的懸臂108的頂點處的諧振運動的接觸諧振技術，本發(fā)明的實施例可以利用截然不同的部件(即諧振器114)來放大并測量探針104的響應于接觸點105的致動的運動。在一個實施例中，諧振器114剛性地耦合至接觸點105。例如，諧振器114可以連接到探針104或其附近。從對諧振器114的、可歸因于耦合的運動的任何影響是可忽略的意義上來講，耦合是剛性的。
[0044]在一個實施例中，諧振器114的、與在探針104處或者在探針104附近的端相對的端是自由端(即，與任何其它結構無耦合)，以使得諧振器114的諧振運動與除了接觸點105的運動之外的任何其它運動無耦合。在相關的實施例中，諧振器114的運動通常不受樣本102的機械屬性或者樣本102表面的形貌特征的影響。
[0045]在一個實施例中，當探針104與樣本102接觸時，諧振器114的基本諧振頻率小于支撐懸臂的基本諧振頻率。在另一個相關的實施例中，諧振器114的基本諧振頻率大于與樣本102的形貌特征相關聯(lián)的頻率。
[0046]根據(jù)一個實施例，諧振器114被設計成使得當探針104在接觸點105處的時候，諧振器114的基本諧振頻率及其泛頻與支撐懸臂108的諧振頻率和泛頻不一致并且不接近。因而，諧振器114的諧振特性不受樣本102的機械屬性的影響。另外，由于諧振器不同于測量裝置100的定位系統(tǒng)，因此諧振器114的諧振特性有利地不受支撐懸臂108的機械結構的影響和測量裝置100的其余機械結構中的任何一個的影響。
[0047]在相關的實施例中，諧振器114的設計考慮到以下事實:可以由測量裝置100來測量具有相應不同納米機械屬性的多種不同材料。因為被測量的樣本的納米機械屬性影響接觸諧振特性，所以期望當探針104在接觸點105處時，支撐懸臂108的諧振特性實際上將構成基頻的頻率范圍和每個泛頻的頻率范圍，這些范圍是基于與可能被測量的樣本材料相關聯(lián)的納米機械屬性的一般范圍來限定的。因此，在該實施例中，諧振器114被構造成使其諧振特性完全在測量裝置100被設計成工作的材料的這些頻率范圍之外。
[0048]對于諧振器114具有自由端的類型的實施例，其諧振特性相對簡單，對于平面外(即，彎曲)運動來說，該諧振特性被模型化為簡諧振蕩器。有利地，對于這種類型的實施例，只有諧振器的幾何和形狀影響諧振特性。因而，對于各種應用，可以通過僅選擇與期望的諧振頻率對應的幾何、同時保持整體形狀相同來設計諧振頻率。
[0049]諧振器114也可獲得第二種模式的振蕩(扭轉振蕩)。這種模式的振蕩在對平行于樣本102的表面被極化的壓電疇的平面內(nèi)運動進行檢測方面是有用的。因而，在一些實施例中，測量裝置100包括產(chǎn)生旨在彎曲地驅動諧振器114的第一頻率分量和旨在扭轉地驅動諧振器114的第二頻率分量的信號發(fā)生器106。因此，諧振器114的諧振特性可以包括彎曲運動和扭轉運動各自的基本諧振頻率以及它們各自的泛頻。因為支撐懸臂108還具有扭轉諧振，所以根據(jù)一個實施例的諧振器114的設計避免了與支撐懸臂108的扭轉諧振對應的頻率范圍及其泛頻。在相關的實施例中，對應于諧振器114的不同模式的振蕩，在鎖相放大器118中利用多個鎖相頻率。
[0050]在測量裝置100中，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，選擇致動樣本102的一個或多個頻率與諧振器114的一個或多個基本諧振頻率一致。因此，諧振器114以它自己的位移比樣本102的被致動運動的位移更大的運動來響應樣本102在接觸點處的致動。此外，諧振器114的運動與樣本102在該一個或多個頻率處的被致動的運動成比例。以此方式，諧振器114提供了樣本102的壓電響應的機械前置放大的形式。在樣本102的平面內(nèi)運動和平面外運動都被分析的實施例中，諧振器114的彎曲運動和扭轉運動均提供機械放大。
[0051]由檢測系統(tǒng)116來檢測諧振器114的運動?？梢酝ㄟ^任何適當?shù)难b置來實施檢測系統(tǒng)116。形成現(xiàn)有技術狀態(tài)并可以被利用的傳統(tǒng)技術的示例包括但不限于干涉法、掃描隧道顯微術(STM)技術、諧振器上的壓電傳感器、和光束技術，諸如圖1中所圖示的技術。例如，在后面的技術的示例中，激光瞄準諧振器114的端，其中，在對應的實施例中，該諧振器114具有在其與接觸點105相對的端處形成的激光反射祀(target)。激光從諧振器114反射到光電檢測器陣列上，其中，使用鎖相放大器118來處理光電檢測器陣列的輸出，從而產(chǎn)生與對應于樣本102的接觸點105的壓電響應相對應的測量。
[0052]獲得壓電響應幅度數(shù)據(jù)以及相位數(shù)據(jù)(表示接觸點105的壓電疇的相對定向)。隨著從一個接觸點105到另一個接觸點對樣本102進行掃描，可以由樣本102的掃描區(qū)域來構造樣本表面的壓電響應幅度和相位的圖像。檢測系統(tǒng)116的輸出還經(jīng)由低通濾波120被饋送到定位控制器112。因此，諧振器114的運動也用在用于調(diào)整探針104和樣本102的相對定位的控制環(huán)中。定位控制器112的輸出包括用于致動器IlOa或者致動器IlOb或者二者的驅動信號。此外，低通濾波120的輸出可以形成樣本102的掃描區(qū)域的形貌圖圖像。
[0053]在一種類型的應用中，測量裝置100是諸如原子力顯微鏡的SPM系統(tǒng)的一部分，其中樣本102接受研究。在另一個應用中，測量裝置100被實現(xiàn)作為數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的一部分，其中樣本102是存儲數(shù)據(jù)的介質。在相關的應用中，測量裝置100構成了 PFM探針陣列的一部分，每個探針具有探針104、相關聯(lián)的諧振器114、檢測系統(tǒng)116等。
[0054]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的前置放大懸臂(PAC) 200的透視圖。PAC200可以與測量裝置一起使用，以用于進行如示出的樣本202的PFM，或者用于進行將受益于PAC 200提供的機械前置放大以及其它特性的其它SPM技術。PAC 200是沿著操作軸220設置的復合懸臂。在PAC 200的一端處，探針尖端204如示出的那樣向下突出。在PAC 220的另一端處形成基部209，該基部209用于操縱(handle) PAC 200并且用于將PAC 200固定至測量裝置(諸如固定至致動器或固定至固定點，二者均未在圖2中示出)。諧振器214在諧振器梁(beam) 217的一端處剛性地連接到探針尖端204，并且在梁217的另一端處具有靶215，從而有利于用于對諧振器214的運動進行檢測的光束檢測方法。在示出的實施例中，靶215具有對在光束運動檢測器中所利用的激光216的主要部分進行反射的表面。諧振器214的梁217和靶215 —起具有大致像槳一樣的形狀。然而應該理解，諧振器214的形狀和幾何可以采取在本發(fā)明的精神內(nèi)的任何適當?shù)男问?，包括沒有利用用于光束運動檢測的靶的形狀。
[0055]PAC 220的主懸臂部分包括以大致三角形樣式布置的梁208a和208b，其中，探針尖端204在三角形的頂點處。在示出的實施例中，梁208a和梁208b關于操作軸220對稱地設置。本發(fā)明的原理可以利用主懸臂部分的其它適當?shù)牟贾脕硎褂?。例如，圖3是示出根據(jù)另一個實施例的PAC 300的平面視圖，其中，主懸臂部分包括一對梁308a和308b，這兩條梁都與操作軸320平行地延伸。諧振器314被設置成使得其可以垂直于由梁308a和308b所限定的地方而振蕩。將在以下描述其它可替換的布置，但是要理解這些示例不是對根據(jù)本發(fā)明的實施例的PAC的可能配置的窮舉介紹。
[0056]返回到圖2，在PAC 200中，諧振器214與包括主懸臂梁218a和208b、探針尖端204和基部209的、懸臂的其余部分整體地形成。用于構造PAC
[0057]200的制造技術通常是公知的。可以使用用于構造現(xiàn)有SPM懸臂的傳統(tǒng)處理步驟來制造PAC 200。例如，可以使用在Turner等人的WIPO公布第WO 2007/095360號中所描述的制造技術，其內(nèi)容通過引用合并到本文中。
[0058]圖4是示出諧振器214的輸出幅度的諧振增強的曲線圖。曲線圖的縱坐標是在諧振器214處所測量的信號的對數(shù)幅度，而曲線圖的橫坐標是在探針尖端204處的輸入信號的驅動頻率。曲線402表示當諧振器諧振的時候在諧振器214處所測量到的兩個或更多個數(shù)量級的改進。相比之下，曲線404表示在懸臂200的尖端端處(在與尖端相對的頂面上)而不是在諧振器214處所測量到的信號。
[0059]圖5表示PAC 200用于壓電響應力顯微術(PFM)的具體應用。曲線502示出了在兩個相對地極化的疇上所測量的信號的幅度。曲線504表示在與接觸諧振PFM相同的疇上所測量的信號的幅度。如上所述，接觸諧振PFM的固有難題包括將樣本和探針的機械屬性都耦合到PFM測量中。曲線506表示用常規(guī)PFM所測量到的信號的幅度。曲線508表示為了校正本底噪聲(floor noise)而測量到的背景信號。
[0060]使用周期性極化銀酸鋰(PeriodicallyPoled Lithium Niobate, PPLN)的樣本開發(fā)了用于表征PAC 200的放大的PAC 200的操作方法以及與接觸諧振-PFM的比較。該材料的選擇是基于它的兩個特性，即光滑表面(粗糙度< Inm)以及具有垂直向上和垂直向下定向的相等幅度的PR向量的、良好區(qū)分的鐵電疇。因而，一個PPLN疇與電場同相振蕩，另一個與電場不同相。為了與接觸諧振PFM操作進行比較，一種稱為金屬涂覆蝕刻硅探針(MESP)(以商標名稱Veeco Probes來出售)的、可商業(yè)得到的懸臂因為其公認的用于PFM研究的通用用途而被選擇，其中，該金屬涂覆蝕刻硅探針具有225 μ m的標稱長度和2-5N/m的彈簧常數(shù)。當所施加的交流偏置頻率與PAC 200的槳諧振頻率相等的時候，將PR向量幅度與MESP懸臂的接觸諧振PFM操作進行比較，從而提供一對一的比較。通過用靜態(tài)位移靈敏度(也稱為逆光杠桿靈敏度(inverse optical lever sensitivity))來將以mV為單位測量的信號轉換為皮米，可以用所施加交流偏置的每伏特的皮米數(shù)為單位來表示PR向量幅度。
[0061 ] 為了比較，將PAC 200的操作方法開發(fā)為與MESP的接觸諧振-PFM相似。將激光對準PAC 200的靶215并定位在四象限光電二極管檢測器的中心上。然后使探針接近PPLN樣本,并通過保持尖端-樣本力足以跟蹤表面來對表面進行掃描。向樣本施加IV幅度(2V的峰峰值)的交流偏置。執(zhí)行交流偏置的頻率掃描來測量諧振器214的第一諧振。類似地，對于MESP探針，激光對準懸臂的頂點處，并且一旦對準PPLN樣本，則通過掃描交流偏置頻率來確定接觸諧振頻率。然后，為PAC和MESP懸臂兩者確定靜態(tài)位移靈敏度，從而將以mV為單位的響應轉換為皮米。最后，為了將數(shù)據(jù)標準化，將PR向量轉換為所施加交流偏置的每伏特的皮米數(shù)(或納米數(shù))。
[0062]圖6示出了針對在其接觸諧振處工作的MESP懸臂的、作為頻率的函數(shù)的測量到的PR向量幅度(曲線602)，連同對于PAC 200的、激光對準在靶215上的PR向量幅度(曲線604)。測得在接觸諧振-PFM中工作的MESP懸臂的最大響應大約為700pm/V，而測得在諧振處的PAC 200的最大響應為3000pm/V。所達到的最大幅度將取決于振蕩器被允許“振蕩”的時間。為了確保對等的比較，MESP懸臂和PAC懸臂都被允許振鈴相同的時間量。如同可以從測量到的PR向量幅度推斷的那樣，PAC 200在諧振處的幅度響應與接觸諧振PFM中的MESP懸臂一樣好或更好。當對遠離諧振的幅度進行比較時，與在諧振處相比，測量到信號中的至少一定數(shù)量級的改進(與?IOOpm相比是?3000pm)。
[0063]接著，通過與接觸諧振PFM中的MESP懸臂的PR成像性能進行比較來評價PAC 200的PR成像性能。獲得在向樣本施加IV幅度的交流偏置的時候，利用以338.1kHz工作在其接觸諧振中的MESP懸臂獲得的表示PPLN表面的高度、PR幅度和PR相位掃描的數(shù)據(jù)。此夕卜，對于所施加的同一樣本偏置，利用在104.5kHz的諧振器214諧振處工作的PAC 200來獲得表示高度、PR幅度和PR相位掃描的數(shù)據(jù)。掃描速度保持在70 μ m/s并且MESP以及PAC二者的靜態(tài)位移靈敏度都是大約78nm/V。對在激光對準槳的情況下的表面掃描的分析清楚地證明了使用PAC 200的良好形貌成像是可能的。因為PAC 200被設計成使得形貌特征的頻率比104kHz的槳諧振要小得多，所以在激光對準槳的情況下，高度信號對于直流偏轉信號具有單位增益。
[0064]在PR幅度數(shù)據(jù)中還可清楚地區(qū)別出PPLN表面上的疇。在相鄰的相對極化的鐵電疇之間測量到了 180°的相位差。為了比較響應幅度和為了理解在掃描期間的SNR，執(zhí)行對圖7中所示部分的分析。曲線702表示PAC 200的PR幅度，而曲線704表示MESP的PR幅度。PAC 200示出了至少三倍于MESP懸臂信號的信號，驗證了來自圖6的頻率響應數(shù)據(jù)。因而，使用PAC 200完全地測量并量化平面外的PR向量，其信號至少與在接觸諧振模式中通常使用的MESP懸臂的信號同樣好并且通常更優(yōu)。
[0065]在根據(jù)本發(fā)明的方面的PAC的其它實施例中，諧振器相對于PAC的其它部分的布置基本上可以發(fā)生改變。圖8是示出了根據(jù)其它實施例的各種可替換配置的彈簧質量圖。主彈簧M和/或M’在一端附接到基部B而在另一端附接到塊Ma。在塊Ma處本地測量輸入信號。諧振器彈簧質量組合可以位于分別由分別與塊Mp、Mq, Mr、Ms、和Mt附接的P、Q、R、S和T所指示的多個位置。在一種類型的實施例中，如位置T所示出的那樣，主彈簧-質量系統(tǒng)和諧振器彈簧-質量系統(tǒng)互相不垂直。[0066]因而，簡要地參照圖2，諧振器可以沿著PAC的操作軸。圖9示出了另一個實施例，其中，與PAC 200的配置相比，PAC 900的諧振器914位于探針尖端的相對側。如果諧振器被安裝成平行于主懸臂(如圖8中的R和P那樣)，則諧振器的彎曲諧振將由樣本的平面外運動來驅動，而諧振器的扭轉諧振將由樣本的平面內(nèi)運動來驅動。
[0067]在其它實施例中，諸如圖8的位置Q、S、和T，諧振器可以是離軸地設置的。在圖10所示的實施例中，PAC 1000的諧振器1014被設置成離軸90度，如在圖8的位置Q和S。在這種類型的垂直布置中，諧振器的扭轉諧振是由樣本的平面外運動來驅動的，而諧振器的彎曲諧振將由樣本的平面內(nèi)運動來驅動。在圖11的實施例中，與圖8的位置T對應，PAC1100的諧振器1114被設置成與懸臂的操作軸成一定的角度。在這種類型的布置中，取決于樣本運動的頻率，彎曲諧振或扭轉諧振可以是由平面內(nèi)或平面外的樣本運動來激勵的。
[0068]在其它類型的實施例中，如圖12中以組合形式示出的那樣，諧振器可以在主懸臂的平面之外。例如，諧振器1214b和諧振器1214c均位于與諧振器1214a所位于的平面不同的平面中。因此，每個懸臂的彎曲運動將對由于樣本表面的移動而產(chǎn)生的探針尖端的對應不同的運動向量進行響應。不同的平面可以是正交的，如對于PAC 1200所示出的那樣，或者是非正交的。
[0069]圖12所示的另一種類型的實施例是在PAC上存在有多于一個的諧振器的實施例。多個諧振器可以位于同一平面內(nèi)、或者如對于PAC 1200所示出的那樣在不同的平面內(nèi)。對于每個諧振器，對應的測量裝置具有單獨的運動檢測系統(tǒng)。在一個實施例中，不同類型的運動檢測系統(tǒng)用于不同的諧振器。在具有多個諧振器的各種實施例中，取決于期望的應用，不同的諧振器具有相同的諧振頻率或者可替換地具有不同的諧振頻率。
[0070]圖13A和13B示出了針對扭轉運動的增加的靈敏度而設計的諧振器1300的示例實施例。諧振器1300包括關于定義靶1315的表面的參考平面不對稱的突出件1319。在圖13A和13B所描繪的實施例中，突出件1319是從諧振器的底側(與靶1315的表面相對)突出的尾部形式。如圖13B所示出的那樣，由此得到的橫截面是T-型的。當在PFM測量期間受到由樣本的平面內(nèi)運動所引起的力時，突出件1319增強諧振器1300扭轉地移動的傾向。
[0071]本發(fā)明的另一個方面針對進一步地改進合并有專用諧振器的其它SPM技術和PFM的性能。根據(jù)本發(fā)明的該方面的實施例是由當分析或測量某些類型的材料時所經(jīng)歷的靜電效應提出的難題而產(chǎn)生的。當在PFM期間對材料進行掃描的時候，被掃描的表面可能會有不均勻的電荷分布。例如，該情況出現(xiàn)在周期性極化鈮酸鋰(PPLN)疇中。在諧振器具有本征電荷的情況下，隨著諧振器越過不同的鈮酸鋰疇，在諧振器和樣本之間可以有不同的直流電勢。因為這些情況導致了作用在諧振器上的附加力，所以在掃描期間諧振器的諧振頻率可能會改變。
[0072]因此，在一種類型的實施例中，測量裝置(諸如圖1的測量裝置100)包括靜電電荷校正裝置。在該類型的一個實施例中，靜電校正裝置包括直流偏置信號，例如直流分量106’(圖1)。圖14圖解地示出了根據(jù)一個實施例的、用于通過施加直流偏置來補償靜電效應的技術。
[0073]電荷校正的其它實施例包括阻止樣本和諧振器之間的靜電場。在一個這樣的實施例中，諧振器和樣本之間的空氣被電離。任何適當?shù)募夹g可以用于電離空氣，諸如使用α輻射源。類似地，在另一個實施例中，測量裝置在諧振器和樣本之間提供了極性流體。在這兩種方法中，通過諧振器和樣本周圍的導電介質來消散靜電場。在另一個實施例中，靜電校正裝置包括處于樣本和諧振器之間的屏蔽裝置。在另一個實施例中，測量裝置被構造成使得諧振器和樣本表面之間的間距大到使得忽略靜電效應。在另外的實施例中，實施預防措施來減少諧振器的表面充電，諸如例如，在不測量諧振器的運動的時候關閉激光。在再一個實施例中，涂覆樣本來減小其電阻。根據(jù)另外的實施例，利用了完全不導電或基本不導電的諧振器。
[0074]以上的實施例旨在是示例性的而不是限制性的。附加的實施例在權利要求之內(nèi)。此外，雖然參考特定的實施例對本發(fā)明的方面進行了描述，但是本領域中的技術人員將承認，可以在不脫離如權利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對形式和細節(jié)進行改變。
[0075]相關【技術領域】的普通技術人員將承認，本發(fā)明可以包括比在以上所描述的任意各個實施例中所示出的特征更少的特征。本文中所描述的實施例并不是意在窮舉地表示可組合本發(fā)明的各種特征的方式。因此，實施例不是特征的相互排除的組合；更確切地，本發(fā)明可以包括從不同的各個實施例中選擇的不同各個特征的組合，如本【技術領域】中的普通技術人員所理解的那樣。
[0076]通過引用以上文檔的任何合并被限制成使得沒有合并與本文中的明確公開內(nèi)容相反的主題。通過引用以上文檔的任何合并被進一步限制成使得包括在文檔中的權利要求沒有通過引用合并到本文中。通過引用以上文檔的任何合并被再一步限制成使得文檔中所提供的任何定義沒有通過引用合并到本文中，除非明確地包括在本文中。
[0077]為了解 釋本發(fā)明的權利要求，明確的意圖是不援引美國專利法(35U.S.C) 112款第六段的規(guī)定，除非在權利要求中書面引用了特定術語“用于……的裝置”或“用于……的步驟”。
【權利要求】
1.一種用于與掃描探針顯微鏡SPM —起使用的前置放大懸臂裝置，所述前置放大懸臂裝置包括: 主懸臂部分，所述主懸臂部分具有由第一端和第二端限定的第一操作長度， 其中，所述第一端被形成為使得當所述主懸臂部分被能夠操作地安裝在掃描探針顯微鏡中的時候，所述主懸臂部分由所述第一端支撐，并且 其中，所述第二端具有適用于與能夠致動材料的表面接觸的突出尖端；以及諧振器懸臂部分，所述諧振器懸臂部分具有由第三端和第四端限定的第二操作長度，所述第三端連接到所述主懸臂部分； 其中，所述主懸臂部分被形成為使得當所述前置放大懸臂被用在所述突出尖端與所述能夠致動材料的表面接觸的測量裝置中時，所述主懸臂部分表現(xiàn)出包括第一組基頻和對應泛頻的第一組諧振特性；并且 其中，所述諧振器懸臂部分被形成為具有包括第二組基頻和對應泛頻的第二組諧振特性，所述第二組諧振特性基本不同于第一范圍的基頻以及與所述第一范圍的基頻對應的泛頻的至少大部分中的任何頻率，以使得當所述前置放大懸臂用在所述測量裝置中時，所述諧振器懸臂的諧振運動基本上與所述主懸臂部分的任何諧振運動無耦合。
2.根據(jù)權利要求1所述的前置放大懸臂裝置，其中，所述懸臂裝置被形成為使得所述諧振器懸臂部分的振蕩運動與所述主懸臂部分無耦合。
3.根據(jù)權利要求1所述的前置放大懸臂裝置，其中，所述第一組基頻及其泛頻包括: 與所述主懸臂部分的彎曲運動的諧振對應的一定范圍的基頻及其泛頻；以及 與所述主懸臂部分的扭轉運動的諧振對應的一定范圍的基頻及其泛頻。
4.根據(jù)權利要求1所述的前置放大懸臂裝置，其中，所述第二組基頻及其泛頻包括: 與所述諧振器懸臂部分的彎曲運動的諧振對應的基頻及其泛頻；以及 與所述主懸臂部分的扭轉運動的諧振對應的基頻及其泛頻。
5.根據(jù)權利要求1所述的前置放大懸臂裝置，其中，所述諧振器懸臂部分的所述第三端在所述第二端處或在所述第二端附近與所述主懸臂部分相連。
6.根據(jù)權利要求1所述的前置放大懸臂裝置，其中，所述主懸臂部分包括在所述第一端和位于所述第二端處的所述尖端之間的導電通路。
7.根據(jù)權利要求1所述的前置放大懸臂裝置，其中，所述第四端是所述諧振器懸臂部分的自由端。
8.根據(jù)權利要求1所述的前置放大懸臂裝置，其中，所述主懸臂部分被構造為機械耦合至所述掃描探針顯微鏡的定位致動器。
9.根據(jù)權利要求1所述的前置放大懸臂裝置，其中，所述主懸臂部分和所述諧振器懸臂部分整體地形成。
10.根據(jù)權利要求1所述的前置放大懸臂裝置，其中，所述諧振器懸臂部分包括第一諧振器結構和具有與所述第一諧振器結構的配置不同配置的第二諧振器結構。
11.一種用于對由材料的致動而導致的所述材料的表面運動進行分析的測量裝置，所述裝置包括: 信號發(fā)生器，所述信號發(fā)生器被構造成生成至少具有在第一頻率處的交流分量的刺激信號，所述刺激信號適用于在測量期間致動所述材料的所述表面的一部分，以產(chǎn)生被致動的運動； 探針，所述探針具有在接觸點處與所述材料的所述表面接觸的尖端，其中，電探針和所述材料的所述表面的接觸是經(jīng)由受控的探針-樣本相互作用來實現(xiàn)的； 諧振懸臂，所述諧振懸臂具有固定端和自由端，所述固定端在測量期間經(jīng)由具有充分剛性的機械耦合而被固定到所述接觸點，以使得基本上所述材料的所有被致動的運動都被傳遞到所述諧振懸臂；以及 檢測系統(tǒng)，所述檢測系統(tǒng)被配置為在測量期間檢測所述諧振懸臂的運動。
12.根據(jù)權利要求11所述的測量裝置，其中，所述被致動的運動基于選自下述組的換能效應，所述組包括:壓電效應、熱力學效應、機電效應、磁效應、電致伸縮效應、或其任何組口 ο
13.根據(jù)權利要求11所述的測量裝置，其中，所述材料是具有壓電屬性的材料，并且其中，所述尖端電耦合至所述信號發(fā)生器，從而便于測量期間所述刺激信號在所述信號發(fā)生器和所述接觸點之間的傳輸。
14.根據(jù)權利要求11所述的測量裝置，其中，所述諧振懸臂的所述運動是與所述材料的所述表面在所述接觸點處的被致動的運動成比例的諧振運動，并且通常不受所述材料的機械屬性或所述材料的所述表面的形貌的影響。
15.根據(jù)權利要求11所述的測量裝置，其中，所述諧振懸臂具有通常與所述第一頻率一致的諧振頻率。
16.根據(jù)權利要求11所述的測量裝置，其中，所述刺激信號包括在第二頻率處的交流分量，并且其中，所述諧振懸臂具有通常與所述第一頻率一致的彎曲諧振頻率以及通常與所述第二頻率一致的扭轉諧振頻率；并且 其中，所述檢測系統(tǒng)適用于檢測所述諧振懸臂的彎曲運動和扭轉運動。
17.根據(jù)權利要求11所述的測量裝置，還包括具有第一端和第二端的第二懸臂； 其中，所述電探針位于所述第二懸臂的第一端；并且 其中，在測量期間所述第二端保持固定。
18.根據(jù)權利要求17所述的測量裝置，其中，所述諧振懸臂和所述第二懸臂被整體地形成，以使得它們共同定義復合懸臂，其中所述復合懸臂包括所述諧振懸臂的所述固定端與所述材料的所述表面上的所述接觸點之間的剛性機械耦合。
19.根據(jù)權利要求17所述的測量裝置，其中，所述第二懸臂和所述電探針被整體地形成。
20.根據(jù)權利要求11所述的測量裝置，其中，所述檢測系統(tǒng)包括光學檢測系統(tǒng)。
21.根據(jù)權利要求11所述的測量裝置，還包括靜電電荷校正裝置，所述靜電電荷校正裝置適用于對所述材料的所述表面和所述諧振懸臂之間的任何電勢存在進行補償。
22.根據(jù)權利要求21所述的測量裝置，其中，所述靜電電荷校正裝置包括選自下述組的至少一個裝置，所述組包括:施加到所述材料的所述表面和所述諧振懸臂中的至少一個的直流偏置信號、適用于消散所述靜電電荷的空氣電離系統(tǒng)、至少位于所述諧振懸臂和所述材料的所述表面之間的極性流體；所述諧振懸臂與所述材料的所述表面之間的屏蔽裝置；確立所述諧振懸臂與所述材料的所述表面之間的增加的間距的間隔裝置，或其任何組口 ο
23.根據(jù)權利要求11所述的測量裝置，其中，所述諧振懸臂的至少大部分是不導電的。
24.根據(jù)權利要求11所述的測量裝置，其中，所述測量裝置是掃描探針顯微鏡SPM系統(tǒng)的一部分，其中在測量期間，所述材料是被分析的樣本。
25.根據(jù)權利要求11所述的測量裝置，其中，所述測量裝置是數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的一部分，其中在測量期間，所述材料是數(shù)據(jù)存儲介質。
26.根據(jù)權利要求11所述的測量裝置，還包括: 至少一個附加探針，所述至少一個附加探針具有在至少一個對應的附加接觸點處與所述材料的所述表面接觸的尖端；以及 至少一個附加諧振懸臂，所述至少一個附加諧振懸臂中的每一個與至少一個附加電探針中的每一個對應，其中，所述至少一個附加諧振懸臂中的每一個具有固定端和自由端，在測量期間，所述固定端經(jīng)由對應的剛性機械耦合而被耦合至對應的接觸點。
27.一種用于測量材料的表面配置的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 信號發(fā)生器，所述信號發(fā)生器被構造成生成至少具有在第一頻率處的交流分量的刺激信號，所述刺激信號適用于致動所述材料的所述表面的一部分； 探針尖端，所述探針尖端適用于在能夠定位的接觸點處與所述材料的所述表面接觸，所述能夠定位的接觸點是由所述探針尖端和所述材料的相對定位來確立的，其中，基于所述探針尖端和所述材料的所述表面之間的恒定的相互作用力來定義所述接觸； 定位系統(tǒng)，所述定位系統(tǒng)能夠操作地耦合所述探針尖端和所述材料，并且被配置為:對所述探針尖端和所述材料的所述表面之間的所述相互作用力進行控制，并且對所述探針尖端和所述材料的所述相對定位進行調(diào)整，從而重定位所述接觸點； 前置放大懸臂，所述前置放大懸臂具有支撐段和諧振器段； 其中，所述支撐段是所述定位系統(tǒng)的一部分并且具有包括所述探針尖端的探針端；并且 其中，所述諧振器段是與所述支撐段不同的段并且具有與所述支撐段的諧振特性基本不同的諧振特性，其中所述諧振器段具有耦合至所述探針尖端的第一端，以使得基本上所述探針尖端的所有運動都被傳遞到所述諧振器段；以及 檢測器，所述檢測器被配置為檢測所述諧振器段的運動； 其中，所述系統(tǒng)被構造成使得在操作中，所述諧振器段的所述運動是由在所述接觸點處致動所述材料的所述刺激信號弓I起的。
28.根據(jù)權利要求27所述的系統(tǒng)，其中，所述刺激信號基于選自下述組的換能效應來致動所述材料，所述組包括:壓電效應、熱力學效應、機電效應、磁效應、電致伸縮效應、或其任何組合。
29.根據(jù)權利要求27所述的系統(tǒng)，其中，所述定位系統(tǒng)被配置為控制所述相互作用力，以使得被所述刺激信號致動的所述材料的基本上所有運動都被傳遞到所述諧振器段。
30.根據(jù)權利要求27所述的系統(tǒng)，其中，所述探針尖端被配置為經(jīng)由包括所述支撐段的信號通路而電耦合至所述信號發(fā)生器。
31.根據(jù)權利要求27所述的系統(tǒng)，其中，由所述刺激信號在所述接觸點處對所述材料進行的致動引起所述支撐段的運動，并且其中，所述支撐段的所述運動是非諧振的，而諧振器部分的所述運動是諧振的。
32.根據(jù)權利要求27所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)被構造成使得在操作中，所述刺激信號在所述接觸點處致動所述材料，從而引起所述探針尖端的運動，并且其中，所述諧振器段的所述運動具有比所述探針尖端的運動的位移更大的位移。
33.根據(jù)權利要求27所述的系統(tǒng)，其中，所述諧振器段與所述定位系統(tǒng)不同。
34.根據(jù)權利要求27所述的系統(tǒng)，其中，所述諧振器段具有與所述刺激信號的所述第一頻率匹配的第一諧振頻率。
35.根據(jù)權利要求27所述的系統(tǒng)，其中，所述諧振器段具有第二諧振頻率，并且其中，所述刺激信號包括與所述諧振器段的所述第二諧振頻率匹配的第二頻率。
36.根據(jù)權利要求27所述的系統(tǒng)，其中，所述諧振器段具有作為自由端的第二端。
37.根據(jù)權利要求27所述的系統(tǒng)，其中，所述諧振器段具有包括光束的反射靶的第二端。
38.根據(jù)權利要求27所述的系統(tǒng)，其中，所述前置放大懸臂是沿著參考軸定向的，并且其中，所述諧振器段也是沿著所述參考軸定向的。
39.根據(jù)權利要求27所述的系統(tǒng)，其中，所述前置放大懸臂是沿著參考軸定向的，并且其中，所述諧振器段是偏離所述參考軸定向的。
40.根據(jù)權利要求27所述的系統(tǒng)，其中，所述前置放大懸臂是沿著參考軸定向的，并且所述前置放大懸臂包括關于所述參考軸與所述支撐段對稱地布置的第二支撐段。
41.根據(jù)權利要求27所述的系統(tǒng)，其中，所述支撐段包括基部端，并且其中，在操作中，當所述探針尖端在所述接觸點處時，所述基部端相對于所述材料保持固定。
42.根據(jù)權利要求27所述的系統(tǒng)，其中，所述探針尖端被構造成使得所述接觸點小于所述材料的各個壓電疇。
43.根據(jù)權利要求27所述的系統(tǒng)，還包括靜電電荷校正裝置，所述靜電電荷校正裝置適用于對所述材料和所述諧振器段之間的任何電勢存在進行補償。
44.一種用于對材料表面的納米級表面運動進行分析的方法，所述方法包括: 向所述材料的所述表面上的接觸點施加包括第一頻率分量的刺激信號，以使得所述刺激信號致動所述材料的一部分，從而作為壓電效應的結果而產(chǎn)生運動；以及 將諧振設備剛性地耦合至所述接觸點，以使得基本上所述材料的所有被致動的運動都被傳遞到所述諧振設備，并且使得所述諧振設備響應于所述材料的所述運動而經(jīng)歷在所述第一頻率分量處的諧振運動，并且基本上不受所述接觸點處的所述材料的機械屬性的影響，其中，所述諧振運動具有比所述材料的所述運動的位移更大的位移；以及 檢測并處理所述諧振設備的所述諧振運動，從而產(chǎn)生表示所述接觸點處的所述材料的壓電響應的測量。
【文檔編號】G01Q10/00GK103443631SQ200980128513
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2009年5月26日 優(yōu)先權日:2008年5月23日
【發(fā)明者】庫馬爾·維爾瓦尼, 貝德·皮滕格, 貝內(nèi)迪克特·策恩 申請人:庫馬爾·維爾瓦尼, 貝德·皮滕格, 貝內(nèi)迪克特·策恩