一种射频探针原子力显微镜系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用射频探针对材料表面进行扫描成像的方法，尤其涉及一种射频探针原子力显微镜系统，属于微观形貌成像领域。
【背景技术】
[0002]原子力显微镜(Atomic Force Microscope，简称AFM)是一种用来研究材料表面结构的分析仪器，利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力来来呈现样品的表面特性，可对导体、半导体、绝缘体等表面进行微纳米精度的成像，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，是一种强有力的表征手段。AFM的工作原理是通过检测原子之间的接触、原子键合、范德瓦耳斯力或卡西米尔效应等来呈现样品的表面特性。将对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的悬臂梁将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，通过检测悬臂梁对应于扫描各点的位置变化，可以获得样品表面形貌的信息。
[0003]相对于扫描电子显微镜，AFM具有许多优点:(I)AFM可提供真正的三维表面图；(2)AFM不需要对样品进行任何特殊处理；(3)对工作环境要求低，可在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。
[0004]目前，常用的AFM是通过激光、四象限光电检测器、音叉等来检测原子间的作用力，从而获得被测物体的表面信息。常规AFM系统由于需要光学或力学系统检测悬臂梁形变，通常采用接触模式、非接触模式和敲击模式三种主要操作模式，常会造成样品及探针针尖的损伤，受探头的影响太大，且扫描速度较慢。
[0005]本发明的目的就是针对现有技术上的不足，提供一种新的AFM扫描成像方法，可在非接触模式下对样品表面进行形貌扫描，没有力作用于样品表面，有效地避免了样品表面与探针针尖的接触所固有的损伤。同时，通过射频谐振频率作为信号反馈，利用射频电路的高速特性，实现了高速扫描成像的功能。
【发明内容】
[0006]鉴于现有技术存在的不足，本发明的目的旨在提供一种利用射频探针高速扫描材料表面的扫描成像方法，解决了常规的原子力显微系统的上述弊端。利用射频谐振电路的谐振频率进行信号反馈，从而实现高速扫描成像的功能。没有力作用于样品表面，不会损伤样品表面和针尖。
[0007]本发明还提供了一种基于该方法搭建的原子力显微系统。
[0008]本发明通过如下技术方案实现:
[0009]一种射频探针AFM系统，包括射频探针、射频谐振电路、射频读出电路、石英音叉探测器、音叉调控电路、XYZ三维样品台、AFM控制器及其他电学仪器设备，如射频信号发生器、前置放大器、万用表等。所述的射频探针作为一种AFM探针用于扫描样品表面，探针躯干上集成有射频传输线，用于射频信号的输入、输出及接地;所述的射频谐振电路与射频探针上的微带线相连，形成LC射频谐振电路，利用射频共振电路对电抗(容抗和阻抗)的敏感特性，当探针针尖在样品表面逐点扫描时，将会引起谐振电路谐振频率的变化，通过射频驱动和探测电路将谐振频率信号输入AFM的反馈信号通道，从而实现样品表面形貌成像;所述的射频读出电路包括功率分配器、衰减器、低噪声放大器、混频器和低通滤波器等，负责射频馈入信号的分配、衰减、射频信号的混频、滤波和放大检测，用于驱动射频探针、扫描时的射频谐振信号的高速读出；所述的XYZ三维样品台，用于放置并移动样品，实现三维形貌扫描成像;所述的石英音叉探测器与探针集成，并与音叉调控电路相连，用于控制原子力显微针尖和样品间距;所述的XYZ三维样品台用于承放被测样品；所述的AFM控制器包括信号处理单元和扫描控制器，所述扫描控制器与石英音叉信号、及XYZ三维样品台相连，所述信号处理单元与射频探针及射频读出电路信号相连，实现信号的转换及传输，进行样品表面形貌的成像和显示。
[0010]该射频探针AFM系统的工作实现方式是:首先将射频探针粘在石英音叉的一个侧壁上；音叉探测的两个电极接入音叉调控电路中，音叉调控电路与AFM控制器相连，利用石英音叉的压电效应来表征样品和针尖间的相互作用力，其输出电信号作为反馈信号来控制样品和针尖间的间距;然后，将射频探针躯干上的射频传输线与射频谐振电路相连，并接入射频读出电路中，并与AFM控制器相连;将样品放置于XYZ三维样品台上，控制探针的针尖纵向接近样品表面，当针尖与样品间距足够小而产生原子力作用时，石英音叉探测器将会探测到悬臂梁的弯曲，从而控制探针针尖与被测样品表面的距离;使探针处于非接触模式下，启动射频探针扫描反馈控制系统;在样品扫描时，XYZ三维样品台改变样品的空间位置，由于样品表面与射频探针的电容耦合作用，耦合电容随随样品表面形貌而波动，由于射频共振电路对电抗(容抗和阻抗)的敏感特性，当探针针尖在样品表面逐点扫描时，射频谐振电路的谐振频率也将随之偏移;将谐振频率作为反馈信号输入至AFM控制器中，通过信号的处理及转换，实现样品表面形貌的成像和显示，获得被测样品表面的信息。
[0011 ]本发明以常规的AFM为基础，把射频谐振电路与常规的AFM探针相集成，利用射频谐振电路对电抗(容抗和阻抗)的敏感特性，将扫描时射频谐振电路的谐振频率作为反馈信号，大大提高了扫描速度。该方法继承了常规AFM的功能和射频电路的高速特性，既可利用音叉信号进行反馈，对样品扫描；又可利用射频信号进行反馈，实现了高速扫描成像的功能，且在非接触模式下，有效地避免了扫描时样品表面与探针针尖的损伤。
【附图说明】
[0012]图1是本发明提供的一个射频探针AFM系统实施案例的结构框图；
[0013]图中各标记分别代表的是:1-射频原子力探针，2-射频谐振电路，3-射频读出电路，4-石英音叉探测器，5-音叉调控电路，6-XYZ三维样品台，7-AFM控制器，8-AFM系统的其他装备，如射频信号发生器、前置放大器、万用表等
[0014]图2是本发明提供的一种射频探针；
[0015]图中各标记分别代表的是:11-探针躯干，12-射频微带线
[0016]图3是探针与石英音叉组装的示意图；
[0017]图4是本发明的工作原理图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
[0019]如图1所示为本发明射频探针AFM系统的一个具体实施案例的结构框图，该射频探针AFM系统主要包括射频原子力探针1、射频谐振电路2、射频读出电路3、石英音叉探测器4、音叉调控电路5、XYZ三维样品台6、AFM控制器7以及其他装备8。其中，射频原子力探针I是该系统的核心。
[0020]该射频探针I的可以是悬臂梁式或非悬臂梁式的硅探针、纤维探针、Si3N4探针，如图2探针的躯干11上集成有射频传输