線(xiàn)12。
[0021 ]該XYZ三維樣品臺(tái)6用于放置待檢測(cè)表面形貌的樣品，并可以使樣品產(chǎn)生X、Y、Z三維位移，實(shí)現(xiàn)樣品的三維掃描。
[0022]該AFM控制器7用于掃描控制及信號(hào)的處理，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。
[0023]該石英音叉探測(cè)器4采用電路中常用的諧振頻率為32.768kHz的石英晶振，用膠水將探針I(yè)裝配至音叉4的一個(gè)側(cè)壁上，如圖3所示，探針I(yè)針尖方向可以與音叉4電極表面方向垂直或平行。將音叉4的兩個(gè)電極接入音叉調(diào)控電路5中，并將此音叉調(diào)控電路5接入AFM控制器7上，利用石英音叉4的壓電效應(yīng)來(lái)表征樣品與針尖間的相互作用力。將樣品置放于XYZ三維樣品臺(tái)6上，當(dāng)AFM工作時(shí)，控制探針的針尖縱向接近樣品表面，通過(guò)其他電學(xué)儀器設(shè)備8驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)該反饋信號(hào)，并將信號(hào)反饋至AFM控制器7，從而控制探針針尖與樣品間的距離(如使樣品與針尖保持恒高)。
[0024]通過(guò)封裝技術(shù)，將射頻探針I(yè)上的射頻微帶線(xiàn)12與射頻諧振電路2上的電感連接，然后將此諧振電路接入射頻讀出電路3中。將集成后的射頻探針I(yè)通過(guò)石英音叉4趨近樣品表面，進(jìn)行形貌掃描。如圖4本發(fā)明射頻探針AFM系統(tǒng)的工作原理圖所示，在非接觸模式(如恒高模式)下，射頻探針I(yè)通過(guò)電容耦合與樣品表面耦合，由于與射頻探針I(yè)集成后的射頻共振電路2對(duì)電抗(容抗和阻抗)的變化極其敏感，當(dāng)探針針尖在樣品表面逐點(diǎn)掃描時(shí)，耦合電容隨樣品表面形貌而波動(dòng)，從而引起射頻電路的諧振頻率的變化。通過(guò)其他電學(xué)儀器設(shè)備8驅(qū)動(dòng)射頻諧振電路，并通過(guò)射頻讀出電路3高速讀出諧振頻率信號(hào)，將諧振頻率作為反饋信號(hào)傳輸至AFM控制器7中，并經(jīng)過(guò)信號(hào)的處理，實(shí)現(xiàn)樣品表面形貌的成像和顯示。
[0025]本發(fā)明是以常規(guī)的AFM為基礎(chǔ)，除了可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達(dá)到檢測(cè)的目的外。本發(fā)明還對(duì)以下進(jìn)行了改進(jìn)，將射頻諧振電路2與常規(guī)的AFM探針相集成，利用射頻共振電路對(duì)電抗(容抗和阻抗)的敏感特性，將諧振頻率作為反饋，實(shí)現(xiàn)高速掃描的功能。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果:繼承了射頻電路高速的特征，掃描速度快;可在非接觸模式下工作，避免了樣品表面和探針針尖的損傷。
[0026]最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用射頻探針掃描材料表面的方法，其特征在于:將探針軀干上的射頻傳輸線(xiàn)與射頻諧振電路上的射頻電感連接形成LC射頻諧振電路，利用射頻諧振電路對(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)，引起諧振電路諧振頻率的變化，通過(guò)射頻讀出電路高速讀出頻率信號(hào)，并將諧振頻率信號(hào)輸入原子力顯微鏡的反饋信號(hào)通道中，通過(guò)信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)樣品表面形貌成像。2.一種射頻探針原子力顯微鏡系統(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)、原子力顯微鏡控制器、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。其中，所述的射頻探針作為一種原子力顯微鏡探針用于掃描樣品表面;所述的射頻諧振電路用于與射頻探針上的微帶線(xiàn)集成形成LC射頻諧振電路;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)射頻輸入信號(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、檢測(cè)并高速讀出掃描時(shí)的射頻諧振信號(hào);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;所述的原子力顯微鏡控制器包括信號(hào)處理單元和掃描控制器，結(jié)合所述的石英音叉探測(cè)器、音叉調(diào)控電路、及XYZ三維樣品臺(tái)可用于控制原子力顯微針尖和樣品間距，并實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換及傳輸，最終實(shí)現(xiàn)樣品表面形貌的成像和顯示。 其特征在于:將針尖裝在一個(gè)表面涂有膠水的石英音叉臂上，將音叉兩個(gè)電極接入到音叉調(diào)控電路，將集成后的音叉組裝至原子力顯微鏡控制器上，通過(guò)石英音叉探測(cè)器的信號(hào)進(jìn)行反饋，控制針尖和樣品之間處于恒定作用力，用來(lái)控制針尖和樣品的間距。利用與音叉集成的射頻探針對(duì)樣品進(jìn)行形貌掃描，通過(guò)反饋至原子力顯微鏡控制器的射頻諧振信號(hào)，得到樣品各點(diǎn)的高度，并將信號(hào)傳送至信號(hào)處理單元，進(jìn)行樣品表面形貌的成像和顯不O3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種射頻探針，其特征在于探針軀干上集成有射頻傳輸線(xiàn)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種射頻探針，其針尖可以是懸臂梁式或非懸臂梁式的硅探針、纖維探針、Si3N4探針。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種射頻探針原子力顯微鏡系統(tǒng)，其針尖可以是懸臂梁式或非懸臂梁式的硅探針、纖維探針、Si3N4探針。6.根據(jù)權(quán)利要求1-2所述的一種射頻諧振電路，其特征在于該射頻諧振電路上集成有射頻電感，與射頻探針上的射頻傳輸線(xiàn)連接后形成透射式或反射式LC射頻諧振電路，提供射頻信號(hào)的輸入及輸出。7.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的一種射頻探針原子力顯微鏡系統(tǒng)，針尖集成至原子力顯微鏡系統(tǒng)的工序?yàn)?在音叉臂上涂上膠水，將探針與粘有膠水的音叉組裝在一起，然后將與音叉集成后的探針軀干上的射頻傳輸線(xiàn)通過(guò)引線(xiàn)，與射頻諧振電路上的射頻電感連接，形成射頻原子力探針的復(fù)合體。8.根據(jù)權(quán)利要求1-7所述的一種射頻探針原子力顯微鏡系統(tǒng)，與音叉集成的探針，其針尖方向可以和音叉電極表面方向垂直或平行，使石英音叉探測(cè)器處于輕敲或剪切力模式。9.根據(jù)權(quán)利要求1-8所述的一種射頻探針原子力顯微鏡系統(tǒng)，利用音叉控制探針針尖與樣品表面的間距，所處的掃描模式可以為非接觸模式。10.根據(jù)權(quán)利要求1-9所述的一種射頻探針原子力顯微鏡系統(tǒng)，其針尖既可接觸樣品表面，通過(guò)音叉形變進(jìn)行信號(hào)的反饋，也可在非接觸模式下，利用射頻信號(hào)進(jìn)行反饋。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種利用射頻探針高速掃描樣品表面的方法，以及基于該方法搭建的一種原子力顯微系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括射頻探針(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)、原子力顯微鏡控制器(7)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(8)。將射頻探針與石英音叉探測(cè)器組裝，通過(guò)石英音叉探測(cè)器的信號(hào)進(jìn)行反饋，控制針尖和樣品之間的間距。將探針上的射頻傳輸線(xiàn)與射頻諧振電路上的電感連接形成LC射頻諧振電路，利用射頻諧振電路對(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，利用此諧振頻率作為反饋信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)樣品表面形貌成像。
【IPC分類(lèi)】G01Q60/38, G01Q60/24
【公開(kāi)號(hào)】CN105467160
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610032646
【發(fā)明人】蘇麗娜, 顧曉峰, 秦華
【申請(qǐng)人】江南大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年4月6日
【申請(qǐng)日】2016年1月18日