[發明專利]基于納米粒子點陣量子輸運的原子力顯微微懸臂及應用

有效

• 申請號: 201310256125.6
• 申請日: 2013-06-25
• 公開（公告）號: CN103336149A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發明（設計）人: 陸偉華;謝波;邵瑋
• 申請（專利權）人: 蘇州新銳博納米科技有限公司
• 主分類號: G01Q60/38
• 分類號: G01Q60/38
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

技術領域

本發明屬于信號檢測儀器領域，具體地說是涉及一種原子力顯微鏡微懸臂及改良的設計，通過電學量變化檢測nm尺度的形貌。

背景技術

原子力顯微鏡是納米科學與工程領域的重要檢測手段，可以通過對nm尺度針尖與樣品表面微區力的檢測實現微區形貌的檢索。其主要工作原理是基于針尖與樣品之間的作用力取決于它們之間的距離，針尖依附在微懸臂上，一束激光照在微懸臂上，可以檢測微懸臂的彎曲。所以原子力顯微鏡工作時每改變一次針尖和樣品的距離，就改變了襯底對針尖的排斥力，從而使得針尖依附的微懸臂彎曲，從而使激光反射角改變，最終以反射角的改變記錄下針尖-樣品間距，掃描整個樣品獲得了樣品的形貌圖。原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡發明以后不多久，它們的發明人Binnig和Rohrer就獲得了諾貝爾物理學獎。

原子力顯微鏡發明以后人們進行了很多改進，直到如今依然是眾多文獻和專利工作的熱點。目前已發表的文獻中，包含多種對原子力顯微探針設計、驅動方法、掃描參數、新信息獲取方法等多方面的改造。比如，有人提出對原子力顯微鏡的探針進行設計，在探針的數目、探針的尖銳程度、探針的物理參數等方面進行改良，可以提供或改善原子力顯微鏡的成像品質或速度。有人提出，可以在原子力顯微探針上做設計，實現聲、熱、電勢等多種信息的檢測，從而形成掃描聲、掃描熱和掃描電勢顯微鏡，用于微納米尺度的物性檢測，這已經成為原子力顯微改善的主流之一，類似的思路甚至被用來測量DNA的拓撲結構。也有少數人提出對原子力顯微鏡鏡體的改善。在中國專利檢索中輸入原子力顯微鏡就可以檢索到98條發明專利，基本上都是上述相關的改進內容。

傳統的微懸臂是由Si₃N₄構成，外部涂覆高質量的金膜，激光束照射在金膜上，由于微懸臂的彎曲改變光束的反射方向，通過對光束反射方向的檢測就可以檢測微懸臂的彎曲程度。這一工作是基于我們對于納米粒子薄膜傳輸的基礎研究工作。

發明內容

本發明提出基于納米粒子點陣量子輸運的原子力顯微微懸臂，對微懸臂的設計和彎曲檢測方法進行改造。微懸臂制備了納米粒子點陣結構，并施加了電極，通過改變納米粒子點陣的間距來改變樣品的電導，而且納米粒子點陣極微小的改變就可以引起電導數量級的變化。從而檢測針尖-樣品的局部距離。

本發明技術方案是，一種基于納米粒子點陣量子輸運的原子力顯微微懸臂，包括一個AFM探針針尖(1)并附著于一個懸臂梁(4)上；至少一組附著于懸臂梁(4)表面的納米粒子點陣(3)；至少一對位于懸臂梁表面用于測量所述納米粒子點陣(3)電阻值的微電極(2)；納米粒子電子點陣以及電極印刷在微懸臂上，當微懸臂因與樣品作用發生彎曲時，印刷在微懸臂背面的納米粒子點陣間距也發生了變化，引起納米粒子點陣電導的變化；檢測這一電導變化，就檢測懸臂的彎曲，相應的檢測針尖-樣品的局部距離。基于納米粒子點陣量子輸運的原子力顯微微懸臂的應用，包括一個AFM探針針尖(1)并附著于一個懸臂梁(4)上；至少一組附著于懸臂梁(4)表面的納米粒子點陣(3)；至少一對位于懸臂梁表面用于測量所述納米粒子點陣(3)電阻值的微電極(2)；納米粒子電子點陣以及電極印刷在微懸臂上，當微懸臂因與樣品作用發生彎曲時，印刷在微懸臂背面的納米粒子點陣間距也發生了變化，引起納米粒子點陣電導的變化；檢測這一電導變化，就檢測懸臂的彎曲，相應的檢測針尖-樣品的局部距離。

本發明通過使用納米粒子點陣的電阻檢測代替傳統的激光來檢測AFM探針懸臂梁的彎曲程度。

進一步的，其中所述納米粒子點陣(3)中隧穿輸運是主要的導電形式。

進一步的，其中所述納米粒子點陣(3)的納米粒子數密度應大于滲流閾值，使其電阻(或電導)能被外部電學儀表測量。

進一步的，其中所述微電極(2)具有足夠強的導電能力，且能穩定粘附在懸臂梁(4)表面，在懸臂梁(4)高頻振動是具有良好的機械穩定性，能作為納米粒子點陣(3)的有效電學信號轉換介質。

其中所述懸臂梁(4)用Si₃N₄材料制備，其尺寸、形狀和結構將影響到AFM探針的測量范圍，同時還會影響到納米粒子點陣)的測量靈敏度。即AFM探針的量程和靈敏度可以通過改變懸臂梁(4)的結構尺寸而進行調整。懸臂梁(4)的橫截面為矩形或圓、橢圓均可。懸臂梁(4)的制作材料為氮化硅(Si₃N₄)，其彈性模量約為E=35000±10000MPa，假定懸臂梁(4)的結構尺寸為：L=200±50μm，h=7±4μm，b=40±10μm。