音叉式AFM探針針尖與表面接近特性的研究

施 慧, 高思田, 黃 鷺, 沈小燕

(1.中國計量大學 計量測試工程學院, 浙江 杭州 310018; 2.中國計量科學研究院, 北京 100029)

1 引 言

原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM)是獲得原子尺度物質結構信息的重要工具[1]。其中探針是檢測系統的核心,其力學性能直接影響了AFM的測試性能、分辨率和掃圖質量等[2,3]。傳統AFM將帶有針尖的懸臂作為力傳感器,針尖尺度小,不適宜大臺階微觀表面觀測[4],且光學系統使得AFM測頭結構復雜,不易集成[5]。石英音叉因其諧振頻率高,雙臂彈性系數大,具有較高品質因子[6]而被廣泛地應用于微納米級檢測中[7]，因此研究其動態力傳感測量機理對實際測量具有重要參考意義。文獻[7]引入平衡點作為引力斥力的分界線,探討經歷各個作用區時懸臂探針的振蕩狀態; 王艷霞等通過實驗獲得了探針的振幅隨探針-樣品間距變化的關系曲線[8]; 2000年,Schmidt等建立音叉的有限元模型,細致探究了音叉探針動態力學特性[9]; 2014年,薄惠豐等研究了典型針尖懸臂系統對不同力學性能的材料樣品在接近過程中的響應情況[10];2016年,李喜德等研究了音叉探針與樣品之間的剪切相互作用機制,獲得音叉探針在橫向作用力下的接近曲線[11]。

本文基于文獻[12]提出的三彈簧兩質點模型,建立并簡化了由石英音叉和鎢針尖構成的探針在垂直于樣品表面振動時受到樣品表面作用的動力學模型,對音叉探針與試樣表面的相互作用進行了理論分析,模擬針尖樣品接近曲線,搭建基于音叉探針的針尖樣品接近曲線測量裝置,進行實驗研究,獲得不同激勵下的接近曲線,為之后研究音叉式原子力顯微鏡系統提供重要的數據支持。……