專利名稱:一種基于輕敲模式原子力顯微鏡的六次諧波成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種成像系統(tǒng)，更特別地說(shuō)，是指一種基于輕敲模式原子力顯微鏡的六次諧波成像系統(tǒng)。
技術(shù)背景
原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)是一種利用原子、分子間的相互作用力來(lái)觀察物體表面微觀形貌的儀器。原子力顯微鏡有一根納米級(jí)的探針被固定在可靈敏操控的微米級(jí)彈性懸臂上，當(dāng)探針靠近樣品時(shí)，其頂端的原子與樣品表面原子間的作用力會(huì)使懸臂彎曲，偏離原來(lái)的位置。根據(jù)掃描樣品時(shí)探針的偏離量或振動(dòng)頻率重建三維圖像，就能間接獲得樣品表面的形貌或成分信息。
傳統(tǒng)的輕敲模式原子力顯微鏡的成像系統(tǒng)中，AFM探針激勵(lì)器接收AFM控制器輸出的單一頻率的正弦型信號(hào)V3，而該正弦型信號(hào)V3的激勵(lì)頻率通常選擇為探針(AFM探針激勵(lì)器的一部分)的第一個(gè)共振頻率4的附近。探針的振幅信號(hào)通過(guò)檢測(cè)控制信號(hào)V4輸出給AFM控制器，AFM控制器通過(guò)控制掃描器的縱向位置來(lái)控制探針與樣品的距離恒定。AFM控制器根據(jù)對(duì)掃描器的縱向位移的控制輸出信號(hào)V5給圖形顯示器形成形貌圖像，用來(lái)反映樣品表面的形貌。
一般輕敲模式原子力顯微鏡采用硅材料的矩形懸臂。對(duì)于矩形懸臂來(lái)說(shuō)，它有一系列的共振頻率，通過(guò)計(jì)算可得到這些頻率。如果矩形懸臂的基態(tài)共振頻率為(即第一個(gè)共振頻率4)，則其第二共振頻率為6. 26Xf1，第三共振頻率為17. 54Xf1;……。由于針尖樣品作用力所產(chǎn)生的高次諧波信號(hào)的頻率呔的整數(shù)倍)與懸臂的高次共振頻率不相符，所以這些高次諧波信號(hào)無(wú)法激發(fā)懸臂的高次共振模態(tài)，高次諧波信號(hào)作為激勵(lì)的響應(yīng)也就無(wú)法得到。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決高次諧波信號(hào)與高次共振頻率不相符造成的無(wú)法激發(fā)矩形懸臂的高次共振模態(tài)，本發(fā)明提出一種基于輕敲模式原子力顯微鏡的六次諧波成像系統(tǒng)。通過(guò)改變AFM矩形探針懸臂的外形，使其第二共振頻率從6. 26Xf1改變到6Xf1;由此可以使探針與樣品相互作用力產(chǎn)生的高次諧波信號(hào)中頻率為GXf1的信號(hào)激發(fā)懸臂的第二共振模態(tài)，以便獲得較大的激勵(lì)頻率為6Xf/的響應(yīng)信號(hào)。利用該6Xf/響應(yīng)信號(hào)獲得第六次諧波信號(hào)的幅度，使圖形顯示器中的樣品圖像更清晰。本發(fā)明利用高次諧波信息增強(qiáng)方式不影響輕敲模式原子力顯微鏡的基本的形貌成像，可以在對(duì)樣品形貌成像的同時(shí)進(jìn)行高次諧波成像。在通過(guò)對(duì)響應(yīng)信號(hào)的分析后可以獲知樣品表面的彈性性質(zhì)等力學(xué)信息。
本發(fā)明的一種基于輕敲模式原子力顯微鏡的六次諧波成像系統(tǒng)，所述輕敲模式原子力顯微鏡包括有AFM控制器(I)、圖形顯示器(2)、掃描器(3)、樣品臺(tái)(4)、懸臂(5)、針尖
(51)、AFM探針激勵(lì)器(6)、激光器(7)、光電四象限接收器(8)、鎖相放大器(11)、第二函數(shù)發(fā)生器(12)和第一函數(shù)發(fā)生器(13)；[0007]鎖相放大器11第一方面接收光電四象限接收器(8)輸出的檢測(cè)控制信號(hào)V4 ;第二方面接收第二函數(shù)發(fā)生器(12)輸出的6倍頻正弦諧波信號(hào)V1 ;第三方面以6倍頻正弦諧波信號(hào)V1為參考信號(hào)，從檢測(cè)控制信號(hào)V4中提出6倍頻的幅度響應(yīng)信號(hào)V2。
第二函數(shù)發(fā)生器(12)依據(jù)時(shí)鐘信號(hào)V6產(chǎn)生正弦諧波信號(hào)V1給鎖相放大器(11)作為參考信號(hào)；
第一函數(shù)發(fā)生器(13)第一方面用于產(chǎn)生單一頻率的正弦波信號(hào)V3作用到AFM探針激勵(lì)器6 ;第二方面用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)V6，該時(shí)鐘信號(hào)V6用于使第二函數(shù)發(fā)生器(12)與第一函數(shù)發(fā)生器(13)在時(shí)鐘上保持同步。
所述的基于輕敲模式原子力顯微鏡的六次諧波成像系統(tǒng)，其六次諧波成像系統(tǒng)的成像過(guò)程為
成像過(guò)程一初始化，獲取AFM探針激勵(lì)器(6)的第一修正共振頻率f/，第一函 數(shù)發(fā)生器(13)依據(jù)輸出頻率為f/的正弦諧波信號(hào)V3給AFM探針激勵(lì)器(6)；
成像過(guò)程二 第二函數(shù)發(fā)生器(12)依據(jù)AFM探針激勵(lì)器(6)的第一修正共振頻率產(chǎn)生頻率為6Xf/的正弦諧波信號(hào)V1輸出給鎖相放大器(11)；
成像過(guò)程三AFM探針激勵(lì)器(6)在正弦諧波信號(hào)V3作用下振動(dòng)，激光器(7)產(chǎn)生的光束聚焦到AFM探針激勵(lì)器￠)的懸臂末端，反射的激光束被光電四象限接收器(8)接收，從而光電四象限接收器(8)輸出檢測(cè)控制信號(hào)V4;
成像過(guò)程四首先設(shè)定鎖相放大器(11)工作于諧波檢測(cè)方式，在該諧波檢測(cè)方式條件下，解調(diào)頻率設(shè)定為6Xf/ ;然后鎖相放大器(11)利用6倍基頻信號(hào)V1對(duì)接收到的檢測(cè)控制信號(hào)V4進(jìn)行解調(diào)放大處理后輸出幅度信號(hào)V2 ；
成像過(guò)程五AFM控制器⑴接收檢測(cè)控制信號(hào)V4和幅度信號(hào)V2，AFM控制器(I)根據(jù)檢測(cè)控制信號(hào)V4來(lái)輸出啟動(dòng)指令給掃描器(3)，進(jìn)行樣品三維掃描；同時(shí)接收處理幅度信號(hào)V2，輸出圖像信號(hào)V5給圖形顯示器(2)。
成像過(guò)程六圖形顯示器(2)接收信號(hào)V5進(jìn)行表面形貌成像和6次諧波成像。
本發(fā)明基于輕敲模式原子力顯微鏡的六次諧波成像系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于
(I)通過(guò)在原矩形微懸臂上開(kāi)設(shè)矩形通孔52，改變矩形懸臂的外形。在改變外形后，不影響輕敲模式原子力顯微鏡在外加激勵(lì)頻率等于第一個(gè)共振頻率時(shí)對(duì)于樣品表面形貌的成像。
(2)在改變矩形懸臂外形后，其fVA由6. 26減小到6. 00，當(dāng)輕敲模式原子力顯微鏡的工作頻率為基頻時(shí)(即第一共振頻率)，它可以對(duì)樣品表面形貌進(jìn)行成像，同時(shí)針尖樣品相互作用所產(chǎn)生的一系列頻率為η倍基頻的高次諧波信號(hào)中的6倍基頻信號(hào)由于符合了該懸臂的第二共振頻率，所以作為激勵(lì)激發(fā)該懸臂的第二共振模態(tài)從而獲得該激勵(lì)的響應(yīng)。
(3)利用第一函數(shù)發(fā)生器13輸出的V3作用到AFM探針激勵(lì)器6，同時(shí)第一函數(shù)發(fā)生器13輸出的V6來(lái)保證第二函數(shù)發(fā)生器12的時(shí)鐘同步，有利于6倍基頻信號(hào)的采集。
(4) AFM控制器I中對(duì)V2的處理，圖形顯示器2中可以顯示出6次諧波成像。
(5)鎖相放大器11利用6倍頻信號(hào)V1對(duì)接收到的檢測(cè)控制信號(hào)V4進(jìn)行解調(diào)放大處理后可以輸出探針?lè)刃盘?hào)V2給AFM控制器I進(jìn)行6次諧波成像。
(6)本發(fā)明的高次諧波信息增強(qiáng)方法可以在得到樣品表面形貌信息的同時(shí)得到樣品表面的力學(xué)信息，對(duì)分辨樣品表面的材料差異有幫助。
(7)本發(fā)明的高次諧波信息增強(qiáng)方法的對(duì)象可以是輕敲模式原子力顯微鏡使用的探針，也可以是非接觸模式原子力顯微鏡使用的探針。


圖I是本發(fā)明基于輕敲模式原子力顯微鏡的六次諧波成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明懸臂的結(jié)構(gòu)圖。
圖3是傳統(tǒng)輕敲模式原子力顯微鏡的成像系統(tǒng)掃描的成像圖。
圖4是本發(fā)明六次諧波成像系統(tǒng)掃描的成像圖。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖I所示，本發(fā)明是一種基于輕敲模式原子力顯微鏡的六次諧波成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括有AFM控制器I、圖形顯示器2、掃描器3、樣品臺(tái)4、懸臂5、針尖51、AFM探針激勵(lì)器6、激光器7、光電四象限接收器8、鎖相放大器11、第二函數(shù)發(fā)生器12和第一函數(shù)發(fā)生器13。
(一)AFM 控制器 I
AFM控制器I第一方面接收光電四象限接收器8輸出的檢測(cè)控制信號(hào)V4 ;第二方面依據(jù)檢測(cè)控制信號(hào)V4對(duì)掃描器3進(jìn)行控制；第三方面接收鎖相放大器11輸出的幅度信號(hào)V2 ;第四方面對(duì)接收到的檢測(cè)控制信號(hào)V4和幅度信號(hào)V2進(jìn)行處理，得到圖像信息V5 ;該圖像信息V5經(jīng)圖形顯示器2進(jìn)行顯示。
(二)圖形顯示器2
在本發(fā)明中，圖形顯示器2用于顯示成像的結(jié)果。
(三)掃描器3
在本發(fā)明中，掃描器3上安裝有樣品臺(tái)4，掃描器3用于移動(dòng)樣品臺(tái)4上的樣品。
(四)樣品臺(tái)4
在本發(fā)明中，樣品臺(tái)4用于承載樣品。
(五)懸臂5
參見(jiàn)圖2所示，懸臂5為矩形梁結(jié)構(gòu)；懸臂5上開(kāi)有矩形孔52 ;懸臂5的長(zhǎng)記為L(zhǎng) (單位為微米)，寬記為W(單位為微米)，厚度記為H(單位為微米)；矩形孔52的長(zhǎng)記為L(zhǎng)0 (單位為微米)，寬記為Wtl (單位為微米);矩形孔52的框邊52A與懸臂5的末端5A相距記
為D ;懸臂5上的矩形孔52在尺寸上的關(guān)系為:D =了 ,L0 = — ,W0 = — ,W = —L。

6 3 15 2 45
在本發(fā)明中，懸臂5最佳尺寸為L(zhǎng) = 225ym,ff = 35 μ m。
在本發(fā)明中，懸臂5用于探測(cè)樣品表面形貌。
在本發(fā)明中，懸臂5上矩形孔52的設(shè)計(jì)能夠改變懸臂5的第二共振頻率，有利于放大針尖51樣品作用力的6次諧波幅度響應(yīng)。
(六)針尖51
針尖51為錐形結(jié)構(gòu)。針尖51安裝在矩形孔52與末端5A之間。
在本發(fā)明中，針尖51的端部與樣品接觸。[0046](七)AFM探針激勵(lì)器6
在本發(fā)明中，AFM探針激勵(lì)器6用于接收第一函數(shù)發(fā)生器13輸出的單一頻率的正弦波信號(hào)V3,并依據(jù)該單一頻率的正弦波信號(hào)V3激勵(lì)懸臂5振動(dòng)，使得安裝在末端的針尖51與樣品相互作用。
(八)激光器7在本發(fā)明中，激光器7產(chǎn)生的激光照射在懸臂5末端。
(九)光電四象限接收器8
在本發(fā)明中，光電四象限接收器8用于接收激光的反射信號(hào)，該反射信號(hào)體現(xiàn)了懸臂5在振動(dòng)時(shí)的幅度響應(yīng)，即檢測(cè)控制信號(hào)V4。
(十)鎖相放大器11
鎖相放大器11第一方面接收光電四象限接收器8輸出的檢測(cè)控制信號(hào)V4 ;第二方面接收第二函數(shù)發(fā)生器12輸出的6倍頻正弦諧波信號(hào)V1 ;第三方面以6倍頻正弦諧波信號(hào)V1為參考信號(hào)，從檢測(cè)控制信號(hào)V4中解調(diào)出6倍頻的幅度響應(yīng)信號(hào)V2。
(十一)第二函數(shù)發(fā)生器12
在本發(fā)明中，第二函數(shù)發(fā)生器12依據(jù)時(shí)鐘信號(hào)V6產(chǎn)生正弦諧波信號(hào)V1給鎖相放大器11作為參考信號(hào)；在本發(fā)明中，正弦諧波信號(hào)V1的頻率是單一頻率的正弦波信號(hào)％頻率的6倍。
(十二)第一函數(shù)發(fā)生器13
在本發(fā)明中，第一函數(shù)發(fā)生器13第一方面用于產(chǎn)生單一頻率的正弦波信號(hào)V3作用到AFM探針激勵(lì)器6;第二方面用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)V6，該時(shí)鐘信號(hào)V6用于使第二函數(shù)發(fā)生器12與第一函數(shù)發(fā)生器13在時(shí)鐘上保持同步。
本發(fā)明是一種基于輕敲模式原子力顯微鏡的六次諧波成像系統(tǒng)，是一種在輕敲模式下使用第一個(gè)共振頻率(即檢測(cè)控制信號(hào)V4中的第一個(gè)共振頻率f/)作為激勵(lì)源，使用鎖相放大器11得到探針(包括有懸臂5和針尖51)運(yùn)動(dòng)的高次諧波分量，并使用這些高次諧波分量的振幅和相位來(lái)獲得更多信息和更高分辨率的成像技術(shù)。
通常原子力顯微鏡所用的矩形微懸臂在工作中會(huì)周期性的振蕩。懸臂的運(yùn)動(dòng)位移可表示為Γ(χ, ) = _y(xy2W , y是懸臂縱向的振動(dòng)幅度，X是懸臂的軸向位置，t是振蕩時(shí)間，fo是懸臂振蕩的頻率，#^是振蕩周期性的表現(xiàn)，i是虛數(shù)，η是圓周率。懸臂振蕩的
動(dòng)能為Γy/x)dx，懸臂振蕩的勢(shì)能為f>/(g)2i/x，其中L是懸臂
長(zhǎng)度，P是制作懸臂材料的密度，A是懸臂橫截面積(寬W乘以高H)，dx是懸臂軸向位置
的微分，E是制作懸臂材料的楊氏模量，I是截面慣性矩，§是懸臂振蕩幅度對(duì)當(dāng)前位置的



dx
二階導(dǎo)數(shù)。在知道懸臂長(zhǎng)L、寬W、高H、楊氏模量E和密度P的情況下可以通過(guò)計(jì)算求得該微懸臂的各共振模態(tài)的共振頻率(第一個(gè)共振頻率，第二個(gè)共振頻率f2，第三個(gè)共振頻率f3，……)。當(dāng)通過(guò)聚焦離子束納米加工技術(shù)在懸臂5上制作了矩形孔52后，懸臂振蕩的動(dòng)能T和勢(shì)能U都會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算得到該修改過(guò)的微懸臂各共振模態(tài)的共振頻率(第一個(gè)修正共振頻率,，第二個(gè)修正共振頻率f2,，第三個(gè)修正共振頻率fV，……)。矩形孔52在懸臂5上的位置不同會(huì)導(dǎo)致共振頻率的不同，改變矩形孔52的位置，當(dāng)f2' /f/ =6時(shí)，即得到所需要的矩形孔52位置。
本發(fā)明中所用到的懸臂5為氮化娃材料,長(zhǎng)225 μ m,寬35 μ m,厚4 μ m,楊氏模量
I.5 X IO11Pa,密度3240kg/m3，其前兩個(gè)共振頻率之比^f1 = 6. 26。
本發(fā)明中對(duì)上述矩形懸臂的外形做了修改，通過(guò)聚焦離子束納米加工技術(shù)(FIB)
在該懸臂上距末端距
權(quán)利要求
1.一種基于輕敲模式原子力顯微鏡的六次諧波成像系統(tǒng)，所述輕敲模式原子力顯微鏡包括有AFM控制器(I)、圖形顯示器(2)、掃描器(3)、樣品臺(tái)(4)、懸臂(5)、針尖(51)、AFM探針激勵(lì)器(6)、激光器(7)、光電四象限接收器(8)，其特征在于還包括有鎖相放大器(11)、第二函數(shù)發(fā)生器(12)和第一函數(shù)發(fā)生器(13); 鎖相放大器(11)第一方面接收光電四象限接收器(8)輸出的檢測(cè)控制信號(hào)V4 ;第二方面接收第二函數(shù)發(fā)生器(12)輸出的6倍頻正弦諧波信號(hào)V1 ;第三方面以6倍頻正弦諧波信號(hào)V1為參考信號(hào)，從檢測(cè)控制信號(hào)V4中提出6倍頻的幅度響應(yīng)信號(hào)V2 ； 第二函數(shù)發(fā)生器(12)依據(jù)時(shí)鐘信號(hào)V6產(chǎn)生正弦諧波信號(hào)V1給鎖相放大器(11)作為參考信號(hào)； 第一函數(shù)發(fā)生器(13)第一方面用于產(chǎn)生單一頻率的正弦諧波信號(hào)V3作用到AFM探針激勵(lì)器(6);第二方面用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)V6,該時(shí)鐘信號(hào)V6用于使第二函數(shù)發(fā)生器(12)與第一函數(shù)發(fā)生器(13)在時(shí)鐘上保持同步； 懸臂(5)為矩形梁結(jié)構(gòu)；懸臂(5)上開(kāi)有矩形孔(52);懸臂(5)的長(zhǎng)記為L(zhǎng)，單位為微米，寬記為W,單位為微米；矩形孔(52)的長(zhǎng)記為L(zhǎng)tl,單位為微米,寬記為Wtl,單位為微米；矩形孔(52)的框邊(52A)與懸臂(5)的末端(5A)相距記為D ;懸臂(5)上的矩形孔(52)在尺
寸上的關(guān)系為:
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的基于輕敲模式原子力顯微鏡的六次諧波成像系統(tǒng)，其特征在于第二函數(shù)發(fā)生器(12)輸出的正弦諧波信號(hào)V1的頻率是單一頻率的正弦諧波信號(hào)V3頻率的6倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的基于輕敲模式原子力顯微鏡的六次諧波成像系統(tǒng)，其特征在于懸臂(5)最佳尺寸為L(zhǎng) = 225 μ m, W = 35 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的基于輕敲模式原子力顯微鏡的六次諧波成像系統(tǒng)，其特征在于鎖相放大器(11)選取Stanford SR-844鎖相放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的基于輕敲模式原子力顯微鏡的六次諧波成像系統(tǒng)，其特征在于第一函數(shù)發(fā)生器(13)和第二函數(shù)發(fā)生器(12)選取安捷倫33250A型函數(shù)發(fā)生器。
6.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的基于輕敲模式原子力顯微鏡的六次諧波成像系統(tǒng)，其特征在于該六次諧波成像系統(tǒng)的成像過(guò)程為 成像過(guò)程一初始化，獲取AFM探針激勵(lì)器(6)的第一修正共振頻率尤，第一函數(shù)發(fā)生器(13)依據(jù)輸出頻率為//的正弦諧波信號(hào)V3給AFM探針激勵(lì)器(6)； 成像過(guò)程二 第二函數(shù)發(fā)生器(12)依據(jù)AFM探針激勵(lì)器(6)的第一修正共振頻率產(chǎn)生頻率為6X //的正弦諧波信號(hào)V1輸出給鎖相放大器(11)； 成像過(guò)程三:AFM探針激勵(lì)器(6)在正弦諧波信號(hào)V3作用下振動(dòng)，激光器(7)產(chǎn)生的激光束聚焦到AFM探針激勵(lì)器(6)的懸臂末端，反射的激光束被光電四象限接收器(8)接收，從而光電四象限接收器(8)輸出檢測(cè)控制信號(hào)V4 ； 成像過(guò)程四首先設(shè)定鎖相放大器(11)工作于諧波檢測(cè)方式，在該諧波檢測(cè)方式條件下，解調(diào)頻率設(shè)定為6X f；;然后鎖相放大器(11)利用6倍頻正弦諧波信號(hào)V1對(duì)接收到的檢測(cè)控制信號(hào)V4進(jìn)行解調(diào)放大處理后輸出幅度響應(yīng)信號(hào)V2 ；成像過(guò)程五AFM控制器(I)接收檢測(cè)控制信號(hào)V4和幅度響應(yīng)信號(hào)V2，AFM控制器(I)根據(jù)檢測(cè)控制信號(hào)V4來(lái)輸出啟動(dòng)指令給掃描器(3)，進(jìn)行樣品三維掃描；同時(shí)接收處理幅度響應(yīng)信號(hào)V2，輸出圖像信號(hào)V5給圖形顯示器(2)； 成像過(guò)程六圖形顯示器(2)接收信 號(hào)V5進(jìn)行表面形貌成像和6次諧波成像。
專利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于輕敲模式原子力顯微鏡的六次諧波成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)中第二函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生正弦諧波信號(hào)V1輸出給鎖相放大器，AFM探針激勵(lì)器在正弦諧波信號(hào)V3作用下振動(dòng)，激光器產(chǎn)生的光束聚焦到AFM探針激勵(lì)器的懸臂末端，反射的激光束被光電四象限接收器接收，從而光電四象限接收器輸出檢測(cè)控制信號(hào)V4；鎖相放大器利用6倍基頻信號(hào)V1對(duì)接收到的檢測(cè)控制信號(hào)V4進(jìn)行解調(diào)放大處理后輸出幅度信號(hào)V2。AFM控制器以信號(hào)V4為輸入，輸出反饋信號(hào)控制掃描器，進(jìn)而得到樣品表面形貌圖像，同時(shí)記錄信號(hào)V2形成6次諧波掃描圖像。本發(fā)明解決了高次諧波信號(hào)與高次共振頻率不相符造成的無(wú)法激發(fā)矩形懸臂的高次共振模態(tài)的問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01Q60/34GKCN102495238SQ201110358206
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2011年11月11日
發(fā)明者錢(qián)建強(qiáng), 王曦, 李英姿, 王偉, 陳注里, 陽(yáng)睿 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (4),