一種射頻探針原子力顯微鏡系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用射頻探針對(duì)材料表面進(jìn)行掃描成像的方法，尤其涉及一種射頻探針原子力顯微鏡系統(tǒng)，屬于微觀形貌成像領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，簡(jiǎn)稱(chēng)AFM)是一種用來(lái)研究材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器，利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細(xì)探針與受測(cè)樣品原子之間的作用力來(lái)來(lái)呈現(xiàn)樣品的表面特性，可對(duì)導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體等表面進(jìn)行微納米精度的成像，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，是一種強(qiáng)有力的表征手段。AFM的工作原理是通過(guò)檢測(cè)原子之間的接觸、原子鍵合、范德瓦耳斯力或卡西米爾效應(yīng)等來(lái)呈現(xiàn)樣品的表面特性。將對(duì)微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過(guò)在掃描時(shí)控制這種力的恒定，帶有針尖的懸臂梁將對(duì)應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運(yùn)動(dòng)。掃描樣品時(shí)，利用傳感器檢測(cè)這些變化，通過(guò)檢測(cè)懸臂梁對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，可以獲得樣品表面形貌的信息。
[0003]相對(duì)于掃描電子顯微鏡，AFM具有許多優(yōu)點(diǎn):(I)AFM可提供真正的三維表面圖；(2)AFM不需要對(duì)樣品進(jìn)行任何特殊處理；(3)對(duì)工作環(huán)境要求低，可在常壓下甚至在液體環(huán)境下都可以良好工作。
[0004]目前，常用的AFM是通過(guò)激光、四象限光電檢測(cè)器、音叉等來(lái)檢測(cè)原子間的作用力，從而獲得被測(cè)物體的表面信息。常規(guī)AFM系統(tǒng)由于需要光學(xué)或力學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)懸臂梁形變，通常采用接觸模式、非接觸模式和敲擊模式三種主要操作模式，常會(huì)造成樣品及探針針尖的損傷，受探頭的影響太大，且掃描速度較慢。
[0005]本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)上的不足，提供一種新的AFM掃描成像方法，可在非接觸模式下對(duì)樣品表面進(jìn)行形貌掃描，沒(méi)有力作用于樣品表面，有效地避免了樣品表面與探針針尖的接觸所固有的損傷。同時(shí)，通過(guò)射頻諧振頻率作為信號(hào)反饋，利用射頻電路的高速特性，實(shí)現(xiàn)了高速掃描成像的功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的旨在提供一種利用射頻探針高速掃描材料表面的掃描成像方法，解決了常規(guī)的原子力顯微系統(tǒng)的上述弊端。利用射頻諧振電路的諧振頻率進(jìn)行信號(hào)反饋，從而實(shí)現(xiàn)高速掃描成像的功能。沒(méi)有力作用于樣品表面，不會(huì)損傷樣品表面和針尖。
[0007]本發(fā)明還提供了一種基于該方法搭建的原子力顯微系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0009]一種射頻探針AFM系統(tǒng)，包括射頻探針、射頻諧振電路、射頻讀出電路、石英音叉探測(cè)器、音叉調(diào)控電路、XYZ三維樣品臺(tái)、AFM控制器及其他電學(xué)儀器設(shè)備，如射頻信號(hào)發(fā)生器、前置放大器、萬(wàn)用表等。所述的射頻探針作為一種AFM探針用于掃描樣品表面，探針軀干上集成有射頻傳輸線，用于射頻信號(hào)的輸入、輸出及接地;所述的射頻諧振電路與射頻探針上的微帶線相連，形成LC射頻諧振電路，利用射頻共振電路對(duì)電抗(容抗和阻抗)的敏感特性，當(dāng)探針針尖在樣品表面逐點(diǎn)掃描時(shí)，將會(huì)引起諧振電路諧振頻率的變化，通過(guò)射頻驅(qū)動(dòng)和探測(cè)電路將諧振頻率信號(hào)輸入AFM的反饋信號(hào)通道，從而實(shí)現(xiàn)樣品表面形貌成像;所述的射頻讀出電路包括功率分配器、衰減器、低噪聲放大器、混頻器和低通濾波器等，負(fù)責(zé)射頻饋入信號(hào)的分配、衰減、射頻信號(hào)的混頻、濾波和放大檢測(cè)，用于驅(qū)動(dòng)射頻探針、掃描時(shí)的射頻諧振信號(hào)的高速讀出；所述的XYZ三維樣品臺(tái)，用于放置并移動(dòng)樣品，實(shí)現(xiàn)三維形貌掃描成像;所述的石英音叉探測(cè)器與探針集成，并與音叉調(diào)控電路相連，用于控制原子力顯微針尖和樣品間距;所述的XYZ三維樣品臺(tái)用于承放被測(cè)樣品；所述的AFM控制器包括信號(hào)處理單元和掃描控制器，所述掃描控制器與石英音叉信號(hào)、及XYZ三維樣品臺(tái)相連，所述信號(hào)處理單元與射頻探針及射頻讀出電路信號(hào)相連，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換及傳輸，進(jìn)行樣品表面形貌的成像和顯示。
[0010]該射頻探針AFM系統(tǒng)的工作實(shí)現(xiàn)方式是:首先將射頻探針粘在石英音叉的一個(gè)側(cè)壁上；音叉探測(cè)的兩個(gè)電極接入音叉調(diào)控電路中，音叉調(diào)控電路與AFM控制器相連，利用石英音叉的壓電效應(yīng)來(lái)表征樣品和針尖間的相互作用力，其輸出電信號(hào)作為反饋信號(hào)來(lái)控制樣品和針尖間的間距;然后，將射頻探針軀干上的射頻傳輸線與射頻諧振電路相連，并接入射頻讀出電路中，并與AFM控制器相連;將樣品放置于XYZ三維樣品臺(tái)上，控制探針的針尖縱向接近樣品表面，當(dāng)針尖與樣品間距足夠小而產(chǎn)生原子力作用時(shí)，石英音叉探測(cè)器將會(huì)探測(cè)到懸臂梁的彎曲，從而控制探針針尖與被測(cè)樣品表面的距離;使探針處于非接觸模式下，啟動(dòng)射頻探針掃描反饋控制系統(tǒng);在樣品掃描時(shí)，XYZ三維樣品臺(tái)改變樣品的空間位置，由于樣品表面與射頻探針的電容耦合作用，耦合電容隨隨樣品表面形貌而波動(dòng)，由于射頻共振電路對(duì)電抗(容抗和阻抗)的敏感特性，當(dāng)探針針尖在樣品表面逐點(diǎn)掃描時(shí)，射頻諧振電路的諧振頻率也將隨之偏移;將諧振頻率作為反饋信號(hào)輸入至AFM控制器中，通過(guò)信號(hào)的處理及轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)樣品表面形貌的成像和顯示，獲得被測(cè)樣品表面的信息。
[0011 ]本發(fā)明以常規(guī)的AFM為基礎(chǔ)，把射頻諧振電路與常規(guī)的AFM探針相集成，利用射頻諧振電路對(duì)電抗(容抗和阻抗)的敏感特性，將掃描時(shí)射頻諧振電路的諧振頻率作為反饋信號(hào)，大大提高了掃描速度。該方法繼承了常規(guī)AFM的功能和射頻電路的高速特性，既可利用音叉信號(hào)進(jìn)行反饋，對(duì)樣品掃描；又可利用射頻信號(hào)進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)了高速掃描成像的功能，且在非接觸模式下，有效地避免了掃描時(shí)樣品表面與探針針尖的損傷。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明提供的一個(gè)射頻探針AFM系統(tǒng)實(shí)施案例的結(jié)構(gòu)框圖；
[0013]圖中各標(biāo)記分別代表的是:1-射頻原子力探針，2-射頻諧振電路，3-射頻讀出電路，4-石英音叉探測(cè)器，5-音叉調(diào)控電路，6-XYZ三維樣品臺(tái)，7-AFM控制器，8-AFM系統(tǒng)的其他裝備，如射頻信號(hào)發(fā)生器、前置放大器、萬(wàn)用表等
[0014]圖2是本發(fā)明提供的一種射頻探針；
[0015]圖中各標(biāo)記分別代表的是:11-探針軀干，12-射頻微帶線
[0016]圖3是探針與石英音叉組裝的示意圖；
[0017]圖4是本發(fā)明的工作原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0019]如圖1所示為本發(fā)明射頻探針AFM系統(tǒng)的一個(gè)具體實(shí)施案例的結(jié)構(gòu)框圖，該射頻探針AFM系統(tǒng)主要包括射頻原子力探針1、射頻諧振電路2、射頻讀出電路3、石英音叉探測(cè)器4、音叉調(diào)控電路5、XYZ三維樣品臺(tái)6、AFM控制器7以及其他裝備8。其中，射頻原子力探針I(yè)是該系統(tǒng)的核心。
[0020]該射頻探針I(yè)的可以是懸臂梁式或非懸臂梁式的硅探針、纖維探針、Si3N4探針，如圖2探針的軀干11上集成有射頻傳輸