CN102749480A - 提高静电力驱动原子力显微镜探针悬臂振动幅度的方法 - Google Patents

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邵志峰
张金金
丹尼尔·恰科夫
孙洁林
沈轶
胡钧
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Abstract

本发明提出一种施加直流偏压提高静电力驱动原子力显微镜(AFM)探针悬臂振动幅度的方法。AFM探针悬臂背面的金属镀层和导电玻璃作为两个电极，在这两个电极间施加交流信号从而产生静电力来驱动悬臂振动，由于作用力直接施加于悬臂，避免了悬臂振动频谱图中除共振峰以外其它杂峰的出现；而进一步叠加直流信号来提高悬臂振动幅度，从而振动信号的信噪比增加，有利于锁定真正的悬臂共振频率，进而提高了仪器的分辨率。

Description

提高静电力驱动原子力显微镜探针悬臂振动幅度的方法
技术领域
本发明涉及驱动原子力显微镜(AFM)探针悬臂振动领域，且特别涉及一种基于施加直流偏压提高静电力驱动原子力显微镜探针悬臂振动幅度的方法。
背景技术
原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)，一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面结构信息。
对于传统的商业原子力显微镜(AFM)，用来放置探针的液体槽装有压电陶瓷，当在溶液环境中工作在轻敲模式时，通过在压电陶瓷上加交流电压引起其形变而驱动探针振动。由于压电陶瓷埋在液体槽中，这样当探针振动时，整个液体槽也会产生机械振动，观察频谱图，可以看到很多森林似的杂峰，降低了信噪比，并且由于杂峰的存在，有时会选错探针的共振频率。对于新发展的静电力驱动AFM悬臂振动的方法，避免了杂峰的产生，但是由于弱的静电作用力，悬臂振动振幅较小，从而信噪比较低，阻碍了这一新技术的应用。
发明内容
本发明提出一种提高静电力驱动原子力显微镜探针悬臂振动幅度的方法，在基于静电力驱动探针悬臂振动的方法上通过施加直流偏压提高振动幅值，从而提高振动信号的信噪比，进而提高了分辨率。
为了达到上述目的，本发明提出一种提高静电力驱动原子力显微镜探针悬臂振动幅度的方法，包括下列步骤：
在探针悬臂背面的金属镀层和导电玻璃上施加交流电压，产生静电场；
所述静电场产生的静电力作用在所述探针悬臂上，驱动所述探针悬臂振动；
在施加交流电压的基础上施加直流偏压，提高所述探针悬臂的振动幅度；
根据所述探针悬臂振动的频谱图，结合原子力显微镜进行成像。
进一步的，所述导电玻璃为铟化镓玻璃。
进一步的，所述交流电压的频率为探针悬臂的本征共振频率。
进一步的，所述探针悬臂振动的频谱图由数据采集卡采集所述探针悬臂的振动信号，并通过傅里叶变换将时域信号变换为频域信号，从而产生所述探针悬臂振动的频谱图。
进一步的，所述数据采集卡采样频率为5MHz，采样数为1M。
本发明提出一种解决用静电力驱动原子力显微镜悬臂振动振幅较小的问题，特别是传统的用压电陶瓷驱动探针振动时由于机械振动产生许多除探针悬臂共振峰以外的杂峰，影响探针共振频率的选择，而新发展的静电力驱动原子力显微镜悬臂振动的方法，由于弱的静电作用力，悬臂振动振幅较小，从而振动信号的信噪比较低，导致仪器分辨率降低，本发明在基于静电力驱动探针悬臂振动的方法上通过施加直流偏压提高振动幅值，从而提高振动信号的信噪比，进而提高了分辨率。
附图说明
图1所示为本发明较佳实施例的提高静电力驱动原子力显微镜探针悬臂振动幅度的方法流程图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
请参考图1，图1所示为本发明较佳实施例的提高静电力驱动原子力显微镜探针悬臂振动幅度的方法流程图。本发明提出一种提高静电力驱动原子力显微镜探针悬臂振动幅度的方法，包括下列步骤：
步骤S100：在探针悬臂背面的金属镀层和导电玻璃上施加交流电压，产生静电场；
步骤S200：所述静电场产生的静电力作用在所述探针悬臂上，驱动所述探针悬臂振动；
步骤S300：在施加交流电压的基础上施加直流偏压，提高所述探针悬臂的振动幅度；
步骤S400：根据所述探针悬臂振动的频谱图，结合原子力显微镜进行成像。
根据本发明较佳实施例，所述导电玻璃为铟化镓玻璃ITO，该方法通过信号发生器产生交流电压施加到悬臂和ITO玻璃上，从而产生静电力驱动探针悬臂振动，所述交流电压的频率为探针悬臂的本征共振频率，同时产生直流偏压施加到悬臂和ITO玻璃上，提高探针悬臂振动幅度。
进一步的，所述探针悬臂振动的频谱图由数据采集卡采集所述探针悬臂的振动信号，并通过傅里叶变换将时域信号变换为频域信号，从而产生所述探针悬臂振动的频谱图，可以得到在其振动频谱图中只有一个干净平滑的共振峰，避免了传统压电陶瓷驱动方法中杂峰的出现，所述数据采集卡采样频率为5MHz，采样数为1M。
通过结合AFM成像，当振动幅值增加后，振动信号的信噪比增加，进而仪器的分辨率增加，可得到云母样品表面高分辨的清晰的原子图，所述样品为新解离的云母样品。
综上所述，本发明提出的基于施加直流偏压提高静电力驱动原子力显微镜(AFM)探针悬臂振动幅度的方法，通过在AFM探针悬臂背面的金属镀层和导电玻璃之间施加交流信号从而产生静电力来驱动悬臂振动，由于作用力直接施加于悬臂，避免了悬臂振动频谱图中除共振峰以外其它杂峰的出现；而进一步叠加直流信号来提高悬臂振动幅度，从而振动信号的信噪比增加，有利于锁定真正的悬臂共振频率，进而提高了仪器的分辨率，得到了样品表面的高分辨原子力显微镜成像图。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (5)

1.一种提高静电力驱动原子力显微镜探针悬臂振动幅度的方法，其特征在于，包括下列步骤：
在探针悬臂背面的金属镀层和导电玻璃上施加交流电压，产生静电场；
所述静电场产生的静电力作用在所述探针悬臂上，驱动所述探针悬臂振动；
在施加交流电压的基础上施加直流偏压，提高所述探针悬臂的振动幅度；
根据所述探针悬臂振动的频谱图，结合原子力显微镜进行成像。
2.根据权利要求1所述的提高静电力驱动原子力显微镜探针悬臂振动幅度的方法，其特征在于，所述导电玻璃为铟化镓玻璃。
3.根据权利要求1所述的提高静电力驱动原子力显微镜探针悬臂振动幅度的方法，其特征在于，所述交流电压的频率为探针悬臂的本征共振频率。
4.根据权利要求1所述的提高静电力驱动原子力显微镜探针悬臂振动幅度的方法，其特征在于，所述探针悬臂振动的频谱图由数据采集卡采集所述探针悬臂的振动信号，并通过傅里叶变换将时域信号变换为频域信号，从而产生所述探针悬臂振动的频谱图。
5.根据权利要求4所述的提高静电力驱动原子力显微镜探针悬臂振动幅度的方法，其特征在于，所述数据采集卡采样频率为5MHz，采样数为1M。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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