一种应用于快速扫描原子力显微镜的探针自减振方法，所述的方法利用干法刻蚀法在原子力显微镜的探针背面加工ZnO薄膜，利用ZnO薄膜的逆压电效应，通过控制ZnO薄膜产生应力，为探针引入可调节外部阻尼，调整探针弹性系数，并提高探针的第一振荡频率，使探针能应用于快速扫描原子力显微镜，消除探针快速扫描过程中的自激振荡。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，所述的方法利用干法刻蚀法在原子力显微镜的探针背面加工ZnO薄膜，利用ZnO薄膜的逆压电效应，通过控制ZnO薄膜产生应力，为探针引入可调节外部阻尼，调整探针弹性系数，并提高探针的第一振荡频率，使探针能应用于快速扫描原子力显微镜，消除探针快速扫描过程中的自激振荡。【专利说明】
本专利技术涉及。
技术介绍
原子力显微镜（AFM，Atomic Force Microscopy)利用压电扫描器驱动探针与样 本之间进行水平面（Χ、γ)方向相对扫描运动，探针响应其针尖与样本之间力作用而弯曲， 通过光杠杆技术检测探针的弯曲程度，从而实现AFM对被扫描样本表面形貌感知及其与 探针相互作用力表征。为防止扫描过程中针尖与样本相互作用力过大，从而损坏针尖或 样本，AFM在扫描过程中一般开启Ζ方向压电扫描器的反馈控制，通过检测探针的弯曲程 度，控制Ζ方向压电扫描器伸缩，从而保持针尖与样本之间作用力恒定。AFM快速扫描技 术（HS-AFM，High Speed Atomic Force Microscopy)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, 201 2, 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AFM由于扫描速率慢（1秒/帧），不能实时观测样本（如生物样本）动态变化过程的 不足。 HS-AFM主要面临两大关键问题：其一是扫描器响应速度慢，且容易出现扫描器多 轴耦合现象；其二是探针响应速度慢。针对扫描器的响应问题，已有多个研究团队研制出 新型的快速扫描器，并开发出相应的最优控制算法（T. Ando, "High-speed atomic force microscopy coming of age"，Nanotechnology, 2012, 23:06200-062028·)。AFM 探针作为 直接与样本接触并产生作用力的关键部件，其对AFM扫描速度的提高起着关键作用。目 前HS-AFM-般采用具有极高谐振频率的微小探针（Braunsmann，C.· "High-speed atomic force microscopy for large scan sizes using small cantilevers，'，Nanotechnology ，2010, 21 (22)，225705.)，如 Olympus 生产的 BL-AC10DS-A2 型号 AFM 探针。与常规 AFM 探 针相比，其在保持较低弹性常数（0. ΙΝ/m)的前提下具有很高的第一谐振频率（大气环境下 1. 5MHz左右）。与Z方向快速扫描器百KHz量级的第一谐振频率相比，探针更高的第一谐 振频率意味着更高的响应灵敏度，能在一定程度上弥补扫描器响应速度的不足。但是，微小 探针极小的外形尺寸（9um*2um)需要复杂的光路系统实现极小化聚焦，从而增加了 HS-AFM 系统整体复杂程度并降低其稳定性。微小探针相比常规AFM探针，其昂贵的价格也成为限 制其推广应用的瓶颈之一。反之，如果采用常规AFM探针进行HS-AFM成像，其较低的第一 谐振频率（大气环境下ΙΟΟΚΗζ左右）容易引起扫描过程中出现如图1所示探针"振铃"现 象（在其谐振频率下的探针振荡自由衰减过程），这将为HS-AFM的表面成像过程控制及作 用力分析带来不良影响。 氧化锌（ZnO)薄膜具有良好的透明导电性、压电性、光电性、气敏性、压敏性、且 易与多种半导体材料实现集成化。由于这些优异的性质，使其具有广泛的用途和许多 潜在用途，如表面声波器件、平面光波导、透明电极、透明导电膜、紫外光探测器、压电器 件、压敏期间、紫外发光器件、气敏传感器等。目前几乎所有物理的和化学的薄膜制备方 法都可以用来制备ZnO薄膜，如磁控溅射法、脉冲激光沉积法（PLD)、有机化学气相沉积 法（CVD)、分子束外延法、溶胶-凝胶法和离子束辅助沉积法等。基于ZnO的诸多优异 性质及容易制备的特点，其在多年前就已用于修饰AFM探针，并成功验证了其正、逆压电 效应在AFM探针形变感知和致动方面的可行性（T.Itoh and T.Suga, Scanning force microscopes using a piezoelectric microcantilever. Journal of Vacuum Science and Technology, 12, 3, 1581 - 1585, 1994. ) (T. Itoh, C. Lee and T. Suga, Deflection detection and feedback actuation using a self-excited piezoelectric Pb(Zr, Ti)03 microcantilever for dynamic scanning force microscopy. Applied Physic Letter, 69, 14, 2036 - 2038, 1996.)。目前 ZnO 仍被广泛应用于 AFM，如在超 声AFM中，ZnO被用作超声换能器，激励样本产生超声振荡，从而实现对被测样本的表 面下成像(Hu, S. , Su, C. , and Arnold, ff. , Imaging of subsurface structures using atomic force acoustic microscopy at GHz frequencies. Journal of Applied Physics, 084324, 2011);作为应变传感器，将ZnO加工到探针的微悬臂梁，利用ZnO的 压电效应，检测微悬臂梁的受力偏转，从而替代传统AFM的复杂光路设计（Ray P.and Rao V. R. , Al-doped ZnO thin-film transistor embedded micro-cantilever as a piezoresistive sensor. Appl. Phys. Lett. 102, 064101，2013);作为致动器，将 ZnO 加工 到探针根部，利用ZnO的逆压电效应，将交变电压施加到ZnO薄膜，ZnO薄膜的机械振动 传递到微悬臂梁，实现AFM轻敲模式成像（Yuan Y.H.，and etc.，A ZnO thin-film driven microcantilever for nanoscale actuation and sensing. International Journal of Smart and Nano Materials. 4, 2, 128-141, 2013)〇
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的缺点：由于原子力显微镜（AFM)探针第一谐振频 率较低，特殊微小AFM探针虽然第一谐振频率较高，但聚焦光路复杂，导致其均难以适用于 快速扫描原子力显微镜，提出一种适用于快速扫描原子力显微镜的探针自减振方法本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种应用于快速扫描原子力显微镜的探针自减振方法，其特征在于，所述的方法利用干法刻蚀法在原子力显微镜的探针背面加工ZnO薄膜，通过控制ZnO薄膜产生应力，为所述的探针引入可调节外部阻尼，调整探针弹性系数，使所述的探针能应用于快速扫描原子力显微镜，消除所述的探针快速扫描过程中的自激振荡。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈代谢，殷伯华，韩立，刘俊标，林云生，初明璋，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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