[发明专利]一种微纳米尺度耦合振动高分辨测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于原子力显微镜AFM的微纳米尺度耦合振动高分辨测量方法。

背景技术

原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）快速扫描技术是近年来迅速发展的热门研究方向（T.Ando,“High-speed atomic force microscopy coming of age”,Nanotechnology,2012,23:06200-062028.）。扫描速率的提高不仅能减少扫描时间，提高运行效率，更重要的是能弥补普通AFM由于扫描速率慢（1秒/帧），不能实时观测生物样本动态变化的不足。

扫描器作为AFM系统关键部件之一，其快速运动性能对AFM成像效果起决定作用。目前AFM快速扫描技术采用的扫描器一般为压电陶瓷管，压电陶瓷堆，柔性铰链平板扫描器或石英音叉。上述扫描器在进行X轴方向快速扫描运动时，均不同程度地存在多轴耦合振动现象，其中Z轴方向的耦合振动会明显影响探针与样品表面的作用力，从而影响AFM成像效果。

为定量分析扫描器耦合振动对AFM成像的影响，并进一步消除其耦合振动，除了通过有限元仿真计算其振动模态外，需要对其耦合振动进行高精度的实际测量。对于扫描器的微纳米量级振动，一般采用电容传感器（黄向东,刘立丰,谭久彬,马标.调幅式电容位移传感器的峰值检波电路设计.光学精密工程,20,11,2444-2449,(2012).）或激光测振仪（中国专利201310257681.5，中国专利201310252759.4）测量其真实的振动模态。然而电容传感器受其响应带宽影响，振动测量频率一般小于100kHz；激光测振仪则受其价格影响，高分辨力和高动态检测范围需要高昂的价格才能实现。

AFM微悬臂梁探针具有纳米级三维分辨力且谐振频率高达百KHz以上直至数MHz，AFM除了用于样品表面形貌三维表征外，也可用于振动测量，如徐临燕等（徐临燕，栗大超，刘瑞鹏等，基于轻敲模式AFM的纳米振动表征方法.压电与声光,32,4,677-681,2010.）利用AFM在轻敲模式下实现了Z方向1MHz频率纳米级微振动测量，其给样品Z方向施加1MHz高频激励，通过测量探针的振幅和相位得到样品Z方向振动模态。目前AFM测振方法只针对单轴方向测振（如Z轴方向），对于多轴耦合（如X轴方向运动引起的Z轴方向振动）测量则未见报道。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术测量振动带宽太窄或成本太高的缺点，提供一种微纳米尺度耦合振动高分辨测量方法。

本发明测量方法基于原子力显微镜AFM成像技术，利用钝化的AFM探针接触样品光滑表面，通过光电探测器检测探针Z轴方向的偏转，实现对扫描器X轴运动引起Z轴耦合振动的高分辨测量。

本发明方法的具体步骤为：

1）设置原子力显微镜AFM自动进针过程及探针初始状态；

2）驱动扫描器X轴方向往复扫描运动；

3）确定扫描器Z轴方向耦合振动模态。

所述的原子力显微镜AFM包括光电探测器（PSD）、激光光源、步进电机、高压驱动器、探针、样品和扫描器。

所述振动模态为在某一外部激励下被激励物体在某一时刻的位移值。

所述步骤1）设置AFM自动进针过程及探针初始状态的方法为：

通过步进电机带动探针向样品表面逼近，当光电探测器检测到从探针背面反射过来的光斑信号发生偏转时，停止步进电机，原子力显微镜AFM的自动进针过程完成。为防止探针测振过程中，由于样品倾斜导致扫描时与探针脱离引起的探针自激振荡影响，通过调整扫描器Z方向伸长量，使探针始终接触样品表面。钝化的探针及光滑的样品表面能最大程度避免扫描器X轴方向扫描运动时摩擦力对探针偏转的影响。

所述步骤2）驱动扫描器X轴方向往复扫描运动方法为：

扫描器为压电式扫描器，通过高压驱动器给扫描器施加正弦波或三角波式的周期驱动信号实现X轴方向周期扫描运动。

所述步骤3）确定扫描器Z轴方向耦合振动模态的方法为：

扫描器带动样品在X轴方向以频率f_x和幅值S_x进行往复扫描运动时，通过光电探测器感应从探针背面反射回来的激光束来测量探针的Z方向偏转情况，得出扫描器Z方向耦合振动模态为式中t为时间，A为探针Z方向偏转的振幅，ω为探针Z方向偏转的角速度，为探针Z方向偏转的初始相位角。