音叉型原子力显微镜探头和应用制造技术

本发明专利技术提供了一种音叉型原子力显微镜探头，所述探头包括石英音叉、电流放大器及补偿电路。还提供了该探头的应用。既可以实现对分布电容的补偿又可以在10mK温度对通过石英音叉的电流信号进行放大，从而可以降低驱动电压的幅度，以期望提高测量的分辨率。

【技术实现步骤摘要】
音叉型原子力显微镜探头和应用
本专利技术属于原子力显微镜领域，具体涉及一种利用音叉、极低温可工作的硅锗双极型晶体管和高电子迁移率晶体管集成开发极低温(10mK量级)下可工作的原子力显微镜探头和应用。
技术介绍
原子力显微镜(AFM)系统，是将带有针尖的悬臂安装在压电陶瓷上，通过激励压电陶瓷带动针尖做周期性振动，由于针尖与待测样品的原子力作用会改变悬臂的振动方式，利用光束偏转法检测悬臂梁的振动变化，进而获取样品表面的形貌。原子力显微镜由于具有横向和纵向的超高分辨能力，可以在获得待测样品二维图像的同时获得样品表面的高度信息，因而在半导体芯片行业中被广泛用于对微纳米器件的形貌进行测量。在基础研究领域，例如在目前热门的量子计算实验研究方向，原子力显微镜也被用于对极低温环境下量子器件进行形貌分析和定位。传统的AFM结构复杂，由于需要光学组件探测悬臂振动，所以不适合在极低温下实现。1995年，德国的K.Karrai等人，提出可以用石英音叉开发自感应AFM探头，通过音叉自身输出电信号检测悬臂的振幅变化。无需利用传统的光学检测部件，因此系统结构比较简单并且可以工作在极低温环境下，只要探针具备，利用锁相技术及PID技术就可以实现调频或调幅模式下对样品的形貌进行测量。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种极低温(mK)下可用的音叉型原子力显微镜探头和应用。在阐述本
技术实现思路
之前，定义本文中所使用的术语如下：术语“I-V转换”是指：电流-电压转换。为实现上述目的，本专利技术的第一方面提供了一种音叉型原子力显微镜探头，所述探头包括石英音叉、电流放大器及补偿电路，优选地，所述探头还包括I-V转换器。根据本专利技术第一方面的探头，其中，所述电流放大器的材料选自以下一种或多种：锗硅异质结晶体管(HBT)、结型场效应管(JFET)、金属-半导体接触型场效应晶体管(MESFET)、金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、硅基集成运算放大器。优选为锗硅异质结晶体管；更优选地，所述锗硅异质结晶体管为锗硅双极型晶体管NESG3031T1K。根据本专利技术第一方面的探头，其中，所述补偿电路的补偿网络支路与所述石英音叉的等效电路的寄生电容支路的电流相位相反。根据本专利技术第一方面的探头，其中，所述补偿电路包括反相放大器和补偿电路电容，所述反相放大器的倍数与补偿电路电容的乘积等于所述石英音叉的等效电路的寄生电容。根据本专利技术第一方面的探头，其中，所述反相放大器的材料选自以下一种或多种：高电子迁移率晶体管(HEMT)、锗硅异质结晶体管(HBT)、结型场效应管(JFET)、金属-半导体接触型场效应晶体管(MESFET)、金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、硅基集成运算放大器。优选为高电子迁移率晶体管。根据本专利技术第一方面的探头，其中，所述石英音叉的等效电路与所述补偿电路并联后再与所述电流放大器串联。根据本专利技术第一方面的探头，其中，所述I-V转换器与所述电流放大器串联。根据本专利技术第一方面的探头，其中，所述电流放大器和所述补偿电路的总功耗小于10uW，优选为小于4uW。本专利技术的第二方面提供了一种原子力显微镜，所述原子力显微镜包括第一方面所述的音叉型原子力显微镜探头。本专利技术的第三方面提供了一种极低温下检测微纳米器件形貌的方法，所述方法使用如第一方面所述的音叉型原子力显微镜探头，其中所述极低温为毫开温区，优选为10mK量级。基于音叉的原子力显微镜探头，一般需要加入补偿电路，以补偿音叉振子分布电容的影响。通常在室温的AFM系统中，补偿电路比较容易实现，而在极低温稀释制冷机内，音叉的输入输出测量同轴线比较长，存在很大的分布电容。为了提高测量信噪比，只使用音叉需要加相对较高的驱动电压，使得输出的信号大于系统的噪声本底。过大的激励电压会导致音叉振动的幅度过大，导致其灵敏度下降，在噪声允许的情况下，希望激励电压越小越好。为了提高测量的灵敏度，需要尽量降低主动驱动的电压幅度，电压幅度的减小，会导致通过石英音叉晶振的电流减小。如果石英音叉输出端接入电流放大器，就可以实现在低的主动驱动电压下提供测量的信噪比和灵敏度。本专利技术的原子力显微镜探头可以具有但不限于以下有益效果：本专利技术利用可以工作在10mK的低功耗的硅锗双极型晶体管NESG3031T1K以及高电子迁移率晶体管HEMT和石英音叉配合使用，既可以实现对分布电容的补偿又可以在10mK温度对通过石英音叉的电流信号进行放大，从而可以降低驱动电压的幅度，以期望提高测量的分辨率。商用Attocube音叉型AFM未加入极低温(mK)的放大器以及极低温补偿电路。附图说明以下，结合附图来详细说明本专利技术的实施方案，其中：图1示出了商用的二脚无源32.768kHz晶振剥去外壳后的石英音叉；图2示出了音叉探针的结构和工作原理；图3示出了32.768kHz石英音叉的等效电路(虚线框内所示)；图4示出了石英音叉当激励电压为1V时候，输出电流I(f)随着频率f的变化；图5示出了室温下一般采用的石英音叉信号检测及相位补偿电路；图6示出了有相位补偿电路和没有相位补偿电路I-V转换器的输出电压Vout(f)；图7示出了NESG3031T1K硅锗双极型晶体管10mK的工作特性曲线；图8示出了定制的HEMT的10mK工作特性曲线；图9示出了极低温10mK石英音叉后接NESG3031T1K电流放大器与不接电流放大器的输入输出噪声谱测量电路；图10示出了10mK利用NESG3031T1K低温电流放大器和没有电流放大的输出噪声谱关系；图11示出了HEMT仿真分析10mKAFM石英音叉补偿电路；图12示出了仿真分析利用HEMT的极低温10mKAFM石英音叉的补偿结果；图13示出了10mK基于石英音叉的AFM的探头设计原理图，其中G为HEMT低温相位补偿电路的栅极静态工作偏置端，D为HEMT低温相位补偿电路的供电端，B为低温NESG3031电流放大器的基极偏置端，E为低温NESG3031电流放大器的供电端。具体实施方式下面通过具体的实施例进一步说明本专利技术，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本专利技术。本部分对本专利技术试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本专利技术目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本专利技术仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本专利技术所用材料和操作方法是本领域公知的。以下实施例中使用的材料和仪器如下：二脚无源32.768kHz晶振由ECSInc.International公司生产制造；NESG3031T1K由CaliforniaEastern本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种音叉型原子力显微镜探头，其特征在于，所述探头包括石英音叉、电流放大器及补偿电路，优选地，所述探头还包括I-V转换器。/n

【技术特征摘要】
1.一种音叉型原子力显微镜探头，其特征在于，所述探头包括石英音叉、电流放大器及补偿电路，优选地，所述探头还包括I-V转换器。


2.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述电流放大器的材料选自以下一种或多种：锗硅异质结晶体管、结型场效应管、金属-半导体接触型场效应晶体管、金属-氧化物半导体场效应晶体管、高电子迁移率晶体管、绝缘栅双极型晶体管、硅基集成运算放大器；优选为锗硅异质结晶体管；更优选地，所述锗硅异质结晶体管为锗硅双极型晶体管NESG3031T1K。


3.根据权利要求1或2所述的探头，其特征在于，所述补偿电路的补偿网络支路与所述石英音叉的等效电路的寄生电容支路的电流相位相反。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的探头，其特征在于，所述补偿电路包括反相放大器和补偿电路电容，所述反相放大器的倍数与补偿电路电容的乘积等于所述石英音叉的等效电路的寄生电容。


5.根据权利要求4所述的探头，其特征在于，所述反相放大器的材料选...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋志军，杨楚宏，姬忠庆，吕力，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11