[發明專利]一種靜電力顯微鏡的間歇接觸式測量方法

無效

• 申請號: 201110310043.6
• 申請日: 2011-10-13
• 公開（公告）號: CN102507986A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 丁喜冬;李超;林國淙
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G01Q60/00
• 分類號: G01Q60/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 禹小明;邱奕才

技術領域

本發明屬于靜電力顯微鏡的測量領域。

背景技術

靜電力顯微鏡（Electrostatic?force?microscopy,?EFM）是基于原子力顯微鏡（Atomic?force?microscopy,?AFM）的技術，它能夠測量兩個物體之間的靜電相互作用力及其二維分布情況。靜電力顯微鏡通過動態測量靜電力反映樣品表面的電荷或電勢的局域分布，是材料微觀結構和性質的重要表征工具。

靜電力顯微鏡需要借助原子力顯微鏡得到樣品的表面形貌圖像。相對于原子間相互作用力而言，靜電力是一種遠程力。工作于大氣環境下的靜電力顯微鏡通常采用“抬起模式”，如本發明人之前研發的中國專利號為200910037448.X的一種靜電力顯微鏡及其測量方法公開了具體的結構和測量過程，所謂的“抬起模式”是一種每行圖像均掃描兩遍的成像方式：第一遍先用通常的原子力顯微鏡方法（指探針和樣品間歇接觸的掃描模式即輕敲模式）通過測量原子間力得到表面形貌，而第二遍掃描時則將探針抬起一定的高度（使探針和樣品間沒有接觸），根據之前得到的形貌起伏信息保持探針-樣品間距恒定掃描從而得到遠程靜電力圖像。

靜電力顯微鏡和原子力顯微鏡采用微懸臂探針來測量力。微懸臂探針有多種本征機械振動模式，如第一次、第二次、第三次的振動模式等。大氣環境下的靜電力顯微鏡中的形貌成像通常采用微懸臂探針的第一次振動模式；而靜電力成像則可采用第一次振動模式，也可采用較高次的振動模式，如第二次振動模式。同時使用多個振動模式成像的靜電力顯微鏡通常稱為“多頻率靜電力顯微鏡”。

現有的靜電力顯微鏡雖然具備良好的測量性能，但由于采用抬起和每行圖像均掃描兩遍的成像方式，在實際測量過程中，其靈敏度和掃描成像速度有待進一步改進。

發明內容

本發明的目的在于提供一種掃描分辨率和成像速度明顯提升的靜電力顯微鏡的、間歇接觸式測量方法。

為了實現上述發明目的，采用的技術方案如下。

一種靜電力顯微鏡的間歇接觸式測量方法，所述靜電力顯微鏡包括掃描頭、探針、探針位置感應器、壓電激振器、?壓電掃描器、低頻電壓信號發生器、高頻電壓信號發生器、低頻振動信號檢測器、高頻振動信號檢測器和控制器，所述壓電掃描器上放置有樣品，測量方法為同時進行如下操作：

操作A、由低頻電壓信號發生器產生對應探針較低本征頻率相同或接近的電壓信號，并施加在與探針緊密相連的壓電激振器上，從而激發探針在低頻振動模式上振動，探針位置感應器感應到這種振動并將它傳送到低頻振動信號檢測器，測量出其振幅和相位信號，控制器控制壓電掃描器使探針在樣品上掃描從而得到樣品形貌圖；

操作B、由高頻電壓信號發生器產生對應探針較高本征頻率相同或接近的電壓信號，并施加探針和/或樣品上，探針和樣品間的靜電力相互作用，激發探針在高頻振動模式上振動，探針位置感應器感應到這種振動并將它傳送到高頻振動信號檢測器，測量出其振幅和相位信號，控制器利用該振幅和相位信號進行成像，得出靜電力分布的二維圖像。

本發明對探針同時加上低頻電壓信號和高頻電壓信號，低頻電壓信號通過壓電激振器本身的機械振蕩來帶動的，而高頻電壓信號則是通過探針－樣品將靜電力直接激發的，探針的特性決定了探針是可以同時發生兩種機械振動，也就是兩種振動的疊加，使得本發明與傳統大氣環境靜電力顯微鏡的成像方式有了本質的區別，傳統大氣環境靜電力顯微鏡每行需要兩遍掃描，每行連續掃兩遍再掃下一行：第一遍掃形貌像（間歇接觸方式），第二遍根據形貌起伏掃靜電力像（探針抬起避免間歇接觸）。而本發明只掃一遍（間歇接觸方式）就可得到形貌和靜電力像，即靜電力成像時也是間歇接觸的。

上述技術方案中，所述高頻電壓信號發生器產生的電壓信號為交流信號，該交流信號施加在探針或樣品上。

進一步地，所述操作B中，能由高頻電壓信號發生器同時產生多個電壓信號，以激發探針的多個高頻振動模式，相應地，高頻振動信號檢測器也同時檢測多個振動信號并由控制器控制成像。