[发明专利]AFM轻敲模式下延缓探针针尖磨损的方法

说明书

本发明涉及一种AFM轻敲模式下延缓探针针尖磨损的方法，其通过利用相位突变表征针尖磨损加剧时的不振现象，即零幅值现象，主要包括以下步骤：(1)利用AFM高速数据采集模块获取探针振动过程中的相位变化图。(2)观察相位图中是否存在相位突变(相位值的瞬时增大)。(3)若图中存在非偶然的相位突变，则适当增大幅值设定点、增大自由振幅、降低扫描速度。(4)重复步骤1、步骤2和步骤3，直至探针相位图中相位突变被消除。(5)完成优化，以此时的扫描参数扫描样品表面。本发明能够实时在线观测到探针针尖的磨损情况，并能够实时调整扫描参数以降低针尖的磨损速度。从而降低针尖的磨损速度，延长探针的使用寿命，节约实验成本。

技术领域

本发明涉及超精密检测技术领域，尤其涉及一种AFM轻敲模式下延缓探针针尖磨损的方法。

背景技术

随着微/纳米技术的发展，人们对事物的认识逐渐从宏观尺度进入到微观尺度。为了对微观世界有更深入的了解，在微纳米尺度下的“成像”变得愈发重要。原子力显微镜(atomic force microscopes简称AFM)作为一种实用的超精密检测工具，没有真空环境、样品导电的要求，与光学显微镜、电子显微镜相比，它能够获取真正的三维形貌信息，能够测量微结构高度、侧边倾角，以及超精密加工表面的粗糙度等信息，因而被广泛应用于航空航天、材料科学、微电子等领域。轻敲模式是AFM的主要工作模式之一。相比于接触模式，轻敲模式下探针间断地与样品接触，极大地降低了针尖与样品之间的相互作用力。出于对探针的保护，轻敲模式受到越来越多的关注。

AFM的纳米级分辨率依赖于精细的探针，但不合理的参数设置会改变探针针尖与样品表面之间的作用力，当作用力增加较大时，会加剧探针的损伤，甚至导致针尖发生断裂磨损。由于探针扫描样品表面获得的图像实际上是针尖与样品表面形貌卷积的结果，针尖的损伤必然导致测量结果的失真。并且，探针价格昂贵，磨损后也不能对其进行修复。因此，降低针尖磨损，提高探针的使用寿命对提高成像质量、降低实验成本具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种AFM轻敲模式下延缓探针针尖磨损的方法，其提供通过优化扫描参数，例如，幅值设定点、自由振幅、扫描速度，消除不振现象，从而降低针尖的磨损速度，延长探针的使用寿命，节约实验成本。本发明利用相位突变表征针尖磨损加剧时的不振现象，即，零幅值现象，通过观察探针相位变化图中相位突变的次数，以便实时的观测到针尖磨损情况。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种AFM轻敲模式下延缓探针针尖磨损的方法，其包括如下步骤：

步骤一：双压电晶片振动驱动器带动探针在样品表面以预设的频率做有阻尼的受迫振动，此处预设的频率是指探针工作时的振动频率；

探针按照预设间隔间断地与样品表面接触，采集每一数据采集点处压电扫描管在x、y方向的偏置电压，得到每一接触点的位置信息；

步骤二：利用AFM高速数据采集模块获取探针振动过程中的相位变化图；

步骤三：观察相位图中是否存在相位突变；

步骤四：若图中存在相位突变，则初次优化扫描参数，适当增大幅值设定点、增大自由振幅、降低扫描速度，得到AFM探针的相位变化图；所述工作振幅等于自由振幅与幅值设定点的乘积；

步骤五：再次优化扫描参数，按照各自预设的单次调节量依次对幅值设定点、自由振幅、扫描速度进行调节，重复步骤一至步骤四，得到相应的AFM探针的相位变化图，相位突变逐渐减少，直至探针相位图中相位突变被消除；

步骤六：从最终优化后的AFM探针的相位变化图中确定相位突消失，则不振现象被消除，此时为理想的工作状态，完成扫描参数的优化，以此时的扫描参数扫描样品表面。

优选地，当探针的相位值超过50°时，判定该处存在相位突变。