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技术

本发明专利技术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，本发明专利技术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。

The force structure and the method and application of measuring the normal elastic constant of AFM probe based on it

The invention discloses a force application structure and a method and application for measuring the normal elastic constant of the probe of the atomic force microscope based on the force application structure, which comprises a bearing member and a force application member, one end of the force application member is fixed with the bearing member, and an edge is formed at the bottom end of the force application member. Compared with the previous system which uses bending method to calibrate the normal elastic constant of AFM probe, the force application structure of the invention and the method for measuring the normal elastic constant based on the force application structure will not cause any damage or contamination to the tip of the micro cantilever probe. From ordinary probe to special cantilever probe or micro cantilever probe with special tip can be calibrated accurately and non destructively to ensure the integrity of probe tip.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于精密仪器
，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。
技术介绍
原子力显微镜(AtomicForceMicroscope，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。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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°。一种测量原子力显微镜探针的法向弹性常数的方法，包括以下步骤：1)使微悬臂梁探针的针尖朝下，所述施力结构与位于该施力结构下方的基底固装且能够分开，使所述施力结构与基底固装且该施力结构的棱位于所述针尖的正上方的400-600nm处，使所述微悬臂梁探针以上移量ΔZ'上压所述施力结构的棱，通过光电检测器获取所述微悬臂梁探针的法向电压输出量ΔUy'，将法向电压输出量ΔUy'和上移量ΔZ'代入公式(1)，获得所述微悬臂梁探针的光杠杆灵敏度Sy；Sy＝ΔUy'/ΔZ'(1)2)使微悬臂梁探针的针尖朝下，将所述施力结构与所述基底分开，在所述基底上放置一天平，在所述天平上放置所述施力结构，使所述所述施力结构的棱位于所述针尖的正上方的400-600nm处，上移所述微悬臂梁探针，使所述微悬臂梁探针以上移量ΔZ'上压所述棱，通过光电检测器获取所述微悬臂梁探针的法向电压输出量ΔUy”以及通过所述天平获取上压前后该天平的示数变化|ΔM|，将所述法向电压输出量ΔUy”和光杠杆灵敏度Sy代入公式(2)，获得微悬臂梁弯曲量ΔZ”；ΔZ”＝ΔUy”/Sy(2)3)将所述示数变化|ΔM|和微悬臂梁弯曲量ΔZ”代入公式(3)，获得法向弹性常数Kn，其中，所述G为重力加速度；Kn＝|ΔM|·G/ΔZ”(3)。在上述技术方案中，所述基底为用于在水平面移动所述施力结构的二维电动位移台，在所述步骤1)中，使所述施力结构与基底固装为将所述施力结构与所述二维电动位移台的滑块固装；在所述步骤2)中，在所述基底上放置一天平为将所述天平与所述二维电动位移台的滑块固装。在上述技术方案中，采用一光学结构获取所述微悬臂梁探针的法向电压输出量ΔUy'和法向电压输出量ΔUy”，所述光学结构包括：激光光源、极化分光镜、薄膜分束器、物镜、三维电动位移台、压电陶瓷片和所述光电检测器，在所述激光光源发射激光的光路上设置有一孔径光阑，用于将所述激光约束成平行光，所述极化分光镜设置在所述平行光的光路上，以使所述平行光透过所述极化分光镜后形成P光，在所述P光的光路上安装有四分之一玻片，以使所述P光经过四分之一玻片后变为椭圆偏振光，在所述椭圆偏振光的光路上安装有薄膜分束器，以使所述椭圆偏振光经该薄膜分束器被反射形成第一光束；所述微悬臂梁探针安装在一探针夹持器内，所述探针夹持器和三维电动位移台分别固装在所述压电陶瓷片的相对两侧，所述微悬臂梁探针位于所述物镜的焦平面处，所述第一光束透过所述物镜并被所述微悬臂梁探针反射形成第二光束，所述第二光束透过所述物镜并形成第三光束，所述第三光束被所述薄膜分束器反射至所述四分之一玻片后形成线偏振光，所述线偏振光被所述极化分光镜反射至所述光电检测器。在上述技术方案中，所述光学结构通过一纵向位移器进行纵向移动，所述激光光源、孔径光阑、极化分光镜、四分之一玻片、薄膜分束器、物镜、三维电动位移台和光电检测器均与一固定件固装，所述固定件与所述纵向位移器固装。在上述技术方案中，所述光学结构还包括：观测系统，所述观测系统包括：白光光源、管镜、分光棱镜和CCD相机，所述分光棱镜设置在所述白光光源发射的白光光束上，以使被所述分光棱镜反射的白光先后依次透过所述薄膜分束器和物镜后形成第四光束，所述第四光束照射至所述微悬臂梁探针上并被该微悬臂梁探针反射先后依次透过所述物镜、薄膜分束器、分光棱镜和管镜并形成第五光束，所述第五光束被所述CCD相机获取。在上述技术方案中，所述白光光源、管镜、分光棱镜和CCD相机均与所述固定件固装。上述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种施力结构，其特征在于，包括：承载件(20)和施力件(11)，所述施力件(11)的一端与所述承载件(20)固装，在所述施力件(11)的底端形成有一棱。/n

【技术特征摘要】
1.一种施力结构，其特征在于，包括：承载件(20)和施力件(11)，所述施力件(11)的一端与所述承载件(20)固装，在所述施力件(11)的底端形成有一棱。


2.根据权利要求1所述的施力结构，其特征在于，所述施力件(11)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°。


3.一种测量原子力显微镜探针的法向弹性常数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)使微悬臂梁探针(10)的针尖朝下，权利要求1或2所述施力结构与位于该施力结构下方的基底(12)固装且能够分开，使所述施力结构与基底(12)固装且该施力结构的棱位于所述针尖的正上方的400-600nm处，使所述微悬臂梁探针(10)以上移量ΔZ'上压所述施力结构的棱，通过光电检测器(14)获取所述微悬臂梁探针(10)的法向电压输出量ΔUy'，将法向电压输出量ΔUy'和上移量ΔZ'代入公式(1)，获得所述微悬臂梁探针(10)的光杠杆灵敏度Sy；
Sy＝ΔUy'/ΔZ'(1)
2)使微悬臂梁探针(10)的针尖朝下，将所述施力结构与所述基底(12)分开，在所述基底(12)上放置一天平(21)，在所述天平(21)上放置所述施力结构，使所述所述施力结构的棱位于所述针尖的正上方的400-600nm处，上移所述微悬臂梁探针(10)，使所述微悬臂梁探针(10)以上移量ΔZ'上压所述棱，通过光电检测器(14)获取所述微悬臂梁探针(10)的法向电压输出量ΔUy”以及通过所述天平(21)获取上压前后该天平(21)的示数变化|ΔM|，将所述法向电压输出量ΔUy”和光杠杆灵敏度Sy代入公式(2)，获得微悬臂梁弯曲量ΔZ”；
ΔZ”＝ΔUy”/Sy(2)
3)将所述示数变化|ΔM|和微悬臂梁弯曲量ΔZ”代入公式(3)，获得法向弹性常数Kn，其中，所述G为重力加速度；
Kn＝|ΔM|·G/ΔZ”(3)。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基底(12)为用于在水平面移动所述施力结构的二维电动位移台，在所述步骤1)中，使所述施力结构与基底(12)固装为将所述施力结构与所述二维电动位移台的滑块固装；在所述步骤2)中，在所述基底(12)上放置一天平(21)为将所述天平(21)与所述二维电动位移台的滑块固装。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，采用一光学结构获取所述微悬臂梁探针(10)的法向电压输出量ΔUy'和法向电压输出量ΔUy”，所述光学结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：镐东越，吴森，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12