一種適用于掃描隧道顯微鏡的高共振頻率掃描器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于掃描隧道顯微鏡的高共振頻率掃描器，包括微納加工工藝一體成型的微米級(jí)針尖和微懸臂梁，其中針尖位于微懸臂梁的窄面上且針尖的指向與該微懸臂梁窄面法線的夾角不大于45°，所述的針尖和微懸臂梁的材料均為單晶硅或單晶二氧化硅，在針尖和微懸臂梁上均鍍有鉑銥合金、黃金、鈷、鉻或鎳。本發(fā)明利用光刻技術(shù)加腐蝕削尖技術(shù)制作出的曲率半徑為2nm的針尖適合STM的針尖，制作出的高品質(zhì)因子Q高共振頻率的帶針尖的微懸臂梁可用作STM的掃描器。
【專利說明】一種適用于掃描隧道顯微鏡的高共振頻率掃描器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于掃描隧道顯微鏡中帶針尖的微懸臂梁掃描器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種適用于掃描隧道顯微鏡的高共振頻率掃描器。

【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，快速掃描隧道顯微鏡(STM)始終未能找到一款合適的高頻振動(dòng)掃描器，極大地制約了快速掃描隧道顯微鏡的發(fā)展和應(yīng)用。為此，國(guó)際上有很多科研小組在致力于高共振頻率掃描器的開發(fā)與應(yīng)用。
[0003]應(yīng)用最早、歷時(shí)最長(zhǎng)的快速掃描器是多晶壓電陶瓷管，但科研人員經(jīng)過詳細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，多晶壓電陶瓷管共振頻率低，最大掃描頻率僅能實(shí)現(xiàn)IKHz左右，且遲滯和蠕變性強(qiáng)，不適合高頻掃描器。后來，科研人員逐步將目光轉(zhuǎn)移至選用更小尺寸的壓電元件。
[0004]例如，應(yīng)用物理學(xué)雜志的文章報(bào)道了一種直徑10mm、厚1.3mm的PZT-4型小尺寸壓電陶瓷片高頻掃描器，該壓電片四周被牢牢地粘接在基座上，該方法制作出來的掃描器的共振頻率達(dá)到了近200KHZ。但是利用該高頻掃描器并沒有得到原子分辨率的圖像，說明該掃描器的噪音較大、精度較低，并且該制備方法存在由手工切割、手工粘接以及手工布線引起的制作效率低的缺點(diǎn)(J.Appl.Phys.75，161，(1994))。
[0005]科學(xué)儀器評(píng)論的文章報(bào)道了利用5mm*5mm、厚度約為Imm的小尺寸壓電陶瓷制作高共振頻率掃描器的方法。該方法將共振頻率提高到了約64KHz，從振動(dòng)響應(yīng)曲線可以看出，其機(jī)械品質(zhì)因子幾乎為零，因此導(dǎo)致振動(dòng)特性較差，應(yīng)用前景不大；并且64KHz的共振頻率仍遠(yuǎn)低于科研的要求，而且該掃描器需要采用手工切割、手工粘接以及手工布線的方法制作，導(dǎo)致制作出來的掃描器存在效率低和精度低的缺點(diǎn)(REVIEW OF SCIENTIFICINSTRUMENTS, 76，053710，(2005))。
[0006]科學(xué)儀器評(píng)論的文章報(bào)道了利用約5mm長(zhǎng)的32.768KHz石英音叉作高共振頻率掃描器的方法，粘接探針后該方法實(shí)現(xiàn)了約24KHz的共振頻率，并在26KHz的掃描頻率下實(shí)現(xiàn)了原子分辨率的成像。但是該方法受到現(xiàn)有石英音叉共振頻率的限制，現(xiàn)有商業(yè)音叉的最高共振頻率約為ΙΟΟΚΗζ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足快速STM的需求(REVIEW OF SCIENTIFICINSTRUMENTS, 82, 053705, (2011))。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明為解決上述手工方法制作的高頻掃描器遲滯和蠕變性強(qiáng)、制作頻率低、精度低、共振頻率低和噪音大的缺點(diǎn)而提供了一種制作效率高、精度高、共振頻率高且噪音小的適用于掃描隧道顯微鏡的高共振頻率掃描器。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種適用于掃描隧道顯微鏡的高共振頻率掃描器，其特征在于包括微納加工工藝一體成型的微米級(jí)針尖和微懸臂梁，其中針尖位于微懸臂梁的窄面上且針尖的指向與該微懸臂梁窄面法線的夾角不大于45°，所述的針尖和微懸臂梁的材料均為單晶硅或單晶二氧化硅，在針尖和微懸臂梁上均鍍有鉬銥合金、黃金、鈷、鉻或鎳。
[0009]本發(fā)明所述的適用于掃描隧道顯微鏡的高共振頻率掃描器的共振頻率為0.ΙΚΗζ-ΙΟΟΜΗζ。
[0010]本發(fā)明旨在于利用新技術(shù)制作出小到微米尺寸、具有掃描功能、共振頻率和品質(zhì)因子更高的掃描器?；谀壳暗奈锢碓砗凸I(yè)技術(shù)現(xiàn)狀，光刻技術(shù)加腐蝕削尖技術(shù)制作出的曲率半徑為2nm的針尖適用于STM的針尖；制作出的高品質(zhì)因子Q高共振頻率的帶針尖的微懸臂梁可用作STM的掃描器。
[0011]本發(fā)明高性能微懸臂梁探針掃描器的物理原理和依據(jù)分別為:
(I)微懸臂梁探針掃描器的尺寸是現(xiàn)有手工制作的掃描器的幾毫米的記錄的千分之一-微米量級(jí)。因此，掃描器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從需要維持整個(gè)壓電片在掃描范圍內(nèi)振動(dòng)變?yōu)閮H需讓一個(gè)微米尺寸的微懸臂梁在掃描范圍內(nèi)振動(dòng)，使得消耗的能量減少多個(gè)量級(jí)，大大降低了因大能耗引起的溫漂、蠕變、遲滯等一系列影響，提高了掃描器的精度和穩(wěn)定性。
[0012](2)微懸臂梁探針被驅(qū)動(dòng)后的品質(zhì)因子Q在高真空下高達(dá)幾萬、大氣下可以達(dá)到數(shù)千。說明其能量損失很慢，可以長(zhǎng)時(shí)間地維持穩(wěn)定的振動(dòng)，手工制作的壓電陶瓷片的品質(zhì)因子Q幾乎為0，因此不易在共振頻率處振動(dòng)，從而需要消耗很多能量，造成掃描器性能的下降。
[0013](3)微懸臂梁探針掃描器通常是以自身的固有頻率振動(dòng)，而非常見的遠(yuǎn)小于共振頻率的振動(dòng)模式。因?yàn)閷?duì)于高品質(zhì)因子的振動(dòng)元件來說，即使不再輸入能量，該元件也能長(zhǎng)時(shí)間地以共振頻率維持振動(dòng)，因此能耗進(jìn)一步降低，并進(jìn)一步降低由高能耗帶來的溫漂等系列噪音問題，提高掃描器的精度和穩(wěn)定性。
[0014](4)微懸臂梁掃描器由于尺寸特別小，所以在選材上可以不計(jì)成本、也很容易地找到合適的單晶材料制作。如單晶硅、單晶氮化硅，而不是常用的低成本陶瓷類多晶材料，因此，其蠕變性、遲滯性、能耗、噪音等均進(jìn)一步降低。
[0015](5)本發(fā)明從機(jī)械結(jié)構(gòu)來看，只是在微米級(jí)的懸臂梁的最窄面上又集成了一個(gè)針尖的指向與該最窄面法線夾角不大于45°的更小的微米級(jí)針尖，對(duì)微懸臂梁的質(zhì)量分布改變不大，因此該帶針尖的微懸臂梁掃描器的共振頻率仍然可以在0.1KHz到100MHz，甚至更大的頻率范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明中針尖指向前端的微懸臂梁掃描器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明中針尖指向右側(cè)的微懸臂梁掃描器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是本發(fā)明中針尖指向左側(cè)的微懸臂梁掃描器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是本發(fā)明中針尖指向前端且針尖與微懸臂梁窄面法線夾角為30°的微懸臂梁掃描器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖面說明:1、針尖，2、微懸臂梁。

【具體實(shí)施方式】
[0018]以下通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的上述內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不應(yīng)該將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例，凡基于本發(fā)明上述內(nèi)容實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。
[0019]—種適用于掃描隧道顯微鏡的高共振頻率掃描器，包括微納加工工藝一體成型的微米級(jí)針尖I和微懸臂梁2，其中針尖I位于微懸臂梁2的窄面上且針尖I的指向與該微懸臂梁2窄面法線的夾角不大于45°，所述的針尖I和微懸臂梁2的材料均為單晶硅或單晶二氧化硅，在針尖I和微懸臂梁2上均鍍有鉬銥合金、黃金、鈷、鉻或鎳。
[0020]本發(fā)明所述的適用于掃描隧道顯微鏡的高共振頻率掃描器的共振頻率為0.ΙΚΗζ-ΙΟΟΜΗζ。
[0021]針尖和微懸臂梁上鍍有鉬銥合金層，從而不再需要從針尖上引電極線，直接從微懸臂梁靠近基座的末端引電極線即可，否則由于微懸臂梁的尺寸極小，從針尖上直接引電極線所用的膠會(huì)包覆針尖和懸臂梁。所述掃描器的不同共振頻率可以通過調(diào)節(jié)懸臂梁的長(zhǎng)度、寬度、厚度比例實(shí)現(xiàn)，微懸臂梁越長(zhǎng)共振頻率越小、寬度厚度比越大共振頻率越小。
[0022]當(dāng)該高共振頻率的帶針尖的掃描器被STM的步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)時(shí)，針尖可以距樣品表面很近且始終位于樣品表面上方的同一高度，實(shí)現(xiàn)掃描器的功能。當(dāng)掃描器的振動(dòng)周期小于樣品表面動(dòng)態(tài)進(jìn)程發(fā)生的周期時(shí)，結(jié)合以STM的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，就可以用來跟蹤樣品表面的動(dòng)態(tài)進(jìn)程，研究動(dòng)態(tài)現(xiàn)象發(fā)生的微觀機(jī)理，比如普通速度STM看不到的化學(xué)反應(yīng)過程等。
[0023]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理，、主要特征和優(yōu)點(diǎn)，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于掃描隧道顯微鏡的高共振頻率掃描器，其特征在于包括微納加工工藝一體成型的微米級(jí)針尖和微懸臂梁，其中針尖位于微懸臂梁的窄面上且針尖的指向與該微懸臂梁窄面法線的夾角不大于45°，所述的針尖和微懸臂梁的材料均為單晶硅或單晶二氧化硅，在針尖和微懸臂梁上均鍍有鉬銥合金、黃金、鈷、鉻或鎳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于掃描隧道顯微鏡的高共振頻率掃描器，其特征在于:所述掃描器的共振頻率為0.ΙΚΗζ-ΙΟΟΜΗζ。
【文檔編號(hào)】G01Q60/10GK104181334SQ201410418938
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年8月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月25日
【發(fā)明者】智剛峰, 李全鋒, 王凱濤, 張宗哲, 宋曉玲 申請(qǐng)人:河南師范大學(xué)