[发明专利]一种基于超声AFM的纳米薄膜厚度检测装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的纳米薄膜厚度的检测技术，具体地说是一种基于超声辅助原子力显微镜(AFM)技术的新型纳米薄膜检测模式-相位检测模式的检测装置和方法。主要用于需要纳米薄膜厚度检测的领域，包括材料、生命科学等各个领域。

背景技术

纳米薄膜对纳米技术的发展十分重要。在新型材料领域，以二维材料为代表的纳米薄膜有望取代硅基材料成为新的电子基础材料。然而，大部分的二维纳米材料需要在特定厚度的状态下才能发挥出其优异的电学、磁学、光学或者力学性能。比如单层的石墨烯是最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，其发现者也因此获得了诺贝奖。二硫化钼的纳米薄膜材料，其不同的原子层数会影响其具体表现的性质，因此改变其厚度，就能够制造出具有不同电子性质、输运性质以及磁学性质的电子器件。在纳米加工制造领域，聚合物纳米薄膜是多种重要加工技术的抗蚀剂(resist)，例如紫外光刻胶(Photoresist)、电子束光刻胶(电子束抗蚀剂)(E-beam resist)、特殊工艺用光刻胶(Special manufacture/experimental sample)等。对光刻胶的加工是纳米加工和制造的第一步，也是最为昂贵和耗时的一步。然后，大部分对纳米薄膜的加工技术都需要首先确定纳米薄膜的厚度，然后才能针对不同的厚度进行特定的切割和图形化等操作。

批量化生产的纳米薄膜可以在制造过程中通过控制参数来控制薄膜的厚度，但是对于实验室自制的或者特殊纳米薄膜的制造环境，薄膜厚度往往是不确定的。所以针对纳米薄膜厚度的检测是非常重要的。传统的方法通常将纳米薄膜进行纵向切割，再利用电子显微镜技术对纳米薄膜的横断面进行纳米级的成像，以获得纳米薄膜的厚度。目前，原子力显微镜(atomic force microscope:AFM)是利用扫描探针技术在原子尺度下进行纳米加工、制造和成像的新型技术，其最大的特点是灵活性高、可控性好、操作便捷、成本低，可以实现在真空、气体和液体环境中的高分辨率成像和操作。然而传统AFM只能对样品的表面形貌进行检测，无法用于检测完整纳米薄膜的厚度。传统方法利用金属针尖对薄膜样品轻轻地刻划出一条沟槽，沟槽内的纳米薄膜材料被剥离，因此利用AFM检测沟槽深度即为纳米薄膜的厚度。但是，这种刻划的力是非常难以控制的，力过大会刻划到基底，导致深度大于纳米薄膜的厚度；力过小会欠刻划，导致沟槽深度小于纳米薄膜的厚度。然而这些方法是有损的，会导致纳米薄膜的彻底破坏，因此也无法针对每个纳米薄膜都进行厚度的测定。尤其是二维纳米薄膜材料，需要一种能够对样品无害的、原位的厚度测量技术。

发明内容

为了解决上述针对未知厚度纳米薄膜的无害的、原位厚度测量技术难点，本发明提出了一种基于超声辅助原子力显微镜(AFM)技术的新型纳米薄膜厚度检测模式-相位检测模式的检测装置和方法。

本发明采用的技术方案如下：一种基于超声AFM的纳米薄膜厚度检测装置，包括：AFM系统以及与其连接的超声辅助系统、相位检测系统，所述超声辅助系统与相位检测系统连接；

AFM系统：用于控制探针和纳米薄膜在纳米尺度下的三维相对移动，并实时将探针的的悬臂梁偏转信号输出至相位检测系统；

超声辅助系统：用于对纳米薄膜施加超声振动，并将超声驱动信号发送至相位检测系统；

相位检测系统：用于根据超声驱动信号和探针的悬臂梁偏转信号得到探针振动相位差，实现纳米薄膜厚度的检测。

所述AFM系统包括AFM控制器、光电传感器、Z向纳米压电陶瓷、探针和XY纳米定位平台；所述AFM控制器的输入端与光电传感器连接，控制端与Z向纳米压电陶瓷、XY纳米定位平台、相位检测系统连接，Z向纳米压电陶瓷与探针固定于XY纳米定位平台上方，光电传感器固定于探针上方，用于接收从探针背面反射的激光，并将探针的悬臂梁偏转信号输出至相位检测系统。

所述超声辅助系统包括超声驱动器以及与其连接的超声振动器；所述超声驱动器发送超声信号至超声振动器、相位检测系统；所述超声振动器固定于XY纳米定位平台上，超声振动器上设有在基底上的纳米薄膜。

所述相位检测系统包括锁相放大器、人机交互界面；所述锁相放大器的输入端、参考输入端分别与光电传感器和超声驱动器连接，锁相放大器的相位差输出端与人机交互界面连接，人机交互界面与AFM控制器的控制端连接。

一种基于超声AFM的纳米薄膜厚度检测方法，包括以下步骤：

1)超声驱动器驱动超声振动器产生超声振动，并带动基底和纳米薄膜实现超声振动；