[发明专利]施力结构以及基于其测量原子力显微镜探针的法向弹性常数的方法和应用

说明书

本发明公开了一种施力结构以及基于其测量原子力显微镜探针的法向弹性常数的方法和应用，施力结构包括：承载件和施力件，所述施力件的一端与所述承载件固装，在所述施力件的底端形成有一棱。相对于以往的采用弯曲法对原子力显微镜探针法向弹性常数进行标定的系统，本发明的施力结构以及基于该施力结构的测量法向弹性常数的方法不会对微悬臂梁探针的针尖产生任何的损伤以及污染。从普通探针到特殊悬臂梁探针或者具有特殊针尖的微悬臂梁探针都可进行准确无损标定，保证了探针针尖的完好性。

技术领域

本发明属于精密仪器技术领域，具体来说涉及一种施力结构以及基于其测量原子力显微镜探针的法向弹性常数的方法和应用。

背景技术

原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)在微纳米尺度结构或材料的表面形貌测量和表征中具有广泛的应用。在基于原子力显微镜的力学测试中，微悬臂梁探针起到了至关重要的作用。微悬臂梁探针的法向弹性常数标定是进行微纳米尺度结构或材料表面形貌测量和表征前的必要工作。在进行微纳米尺度结构或材料的表面形貌测量和表征中，探针针尖尖端直接跟样品表面发生相互作用，针尖尖端的半径决定了成像的质量以及分辨率。在测量过程中针尖和样品发生相互作用，多次测量后，针尖就可能产生磨损或者被污染，导致后续的成像质量较差，导致测得的微纳米尺度结构或者材料表面的形貌不准，此时就需要更换新的探针，原有探针就会被丢弃回收。另外，微悬臂梁探针制作工艺复杂，价格昂贵，一根针的成本从几百到上千元不等，有些特殊用途的探针的造价甚至要上万元。这就要求对探针进行标定时，在不影响标定准确度的前提下，探针针尖的损伤越小越好，尽量不影响后续正式对样品进行测试时候的使用。近二十几年来，出现了很多种标定微悬臂梁探针弹性常数的方法。这些方法从原理上可分为尺寸参数法、谐振法、弯曲法等。上述各种方法都有各自的优缺点。使用尺寸法和谐振法测量计算探针的法向弹性常数时均不会对探针针尖有任何的损伤和污染，但是这两种方法都有各自的局限性，其不确定度较大，一般在10％～25％之间，甚至更大。弯曲法中胡克定律为基本原理，通过外界力的作用，使悬臂梁发生弯曲，同时想方设法测量悬臂梁的弯曲量，通过公式

K＝F/ΔX 式(1)

其中K为探针的法向弹性常数，F为外界力，ΔX为悬臂梁的弯曲量

计算得到悬臂梁的法向弹性常数。该方法的标定不确定度可以达到2％以下，对各种形状、尺寸的微悬臂梁都可以进行相对准确的法向弹性常数标定。但该方法中探针针尖作为受力点。一般原子力显微镜探针的针尖为锥形，针尖高度约5-20μm，针尖尖端半径约5-40nm。在实际标定过程中，探针针尖朝下，以探针针尖作为主受力点，带动微悬臂梁发生弯曲。同时为了获得高信噪比的数据，提高测量的准确性，降低测量的不确定度，微悬臂梁的弯曲量有时候能达到几个微米，此时微悬臂梁针尖处的作用力可以达到几个到几十个微牛，探针针尖尖端极易发生磨损、断裂。而且微悬臂梁针尖直接与标定基底接触，基底上的微粒还可能黏附在针尖上，对针尖造成污染。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种施力结构，基于该施力结构能够对原子力显微镜探针的法向弹性常数针尖无损标定，该施力结构使探针(微悬臂梁探针)微悬臂梁背面受力，针尖不与任何物体接触，且微悬臂梁背面受力的位置和针尖所处位置大致相同，该施力结构可以对任一微悬臂梁探针进行大弯曲量多次重复原位标定，而不会对探针针尖产生任何的损坏和污染。

本发明的另一目的是提供基于上述施力结构的测量法向弹性常数的方法，该方法通施力结构获得微悬臂梁探针的悬臂梁的弯曲量和弯曲力，并根据胡克定律求出微悬臂梁的法向弹性常数。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种施力结构，包括：承载件和施力件，所述施力件的一端与所述承载件固装，在所述施力件的底端形成有一棱。

在上述技术方案中，所述施力件为一直杆，所述直杆的长度方向与所述水平面的夹角为3～5°。