[發明專利]一種適用于掃描隧道顯微鏡的高共振頻率掃描器

有效

• 申請號: 201410418938.5
• 申請日: 2014-08-25
• 公開（公告）號: CN104181334B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發明（設計）人: 李全鋒;智剛峰;王凱濤;張宗哲;宋曉玲
• 申請（專利權）人: 河南師范大學
• 主分類號: G01Q60/10
• 分類號: G01Q60/10;G01Q60/16
• 代理公司: 新鄉市平原專利有限責任公司41107
• 代理人: 路寬

技術領域

本發明屬于掃描隧道顯微鏡中帶針尖的微懸臂梁掃描器技術領域，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

當前，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掃描器，極大地制約了快速掃描隧道顯微鏡的發展和應用。為此，國際上有很多科研小組在致力于高共振頻率掃描器的開發與應用。

應用最早、歷時最長的快速掃描器是多晶壓電陶瓷管，但科研人員經過詳細分析后發現，多晶壓電陶瓷管共振頻率低，最大掃描頻率僅能實現1KHz左右，且遲滯和蠕變性強，不適合高頻掃描器。后來，科研人員逐步將目光轉移至選用更小尺寸的壓電元件。

例如，應用物理學雜志的文章報道了一種直徑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（J.?Appl.?Phys.?75,?161,?(1994)）。

科學儀器評論的文章報道了利用5mm*5mm、厚度約為1mm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，從振動響應曲線可以看出，其機械品質因子幾乎為零，因此導致振動特性較差，應用前景不大；并且64KHz的共振頻率仍遠低于科研的要求，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，導致制作出來的掃描器存在效率低和精度低的缺點（REVIEW?OF?SCIENTIFIC?INSTRUMENTS,?76,?053710,?(2005)）。

科學儀器評論的文章報道了利用約5mm長的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現了約24KHz的共振頻率，并在26KHz的掃描頻率下實現了原子分辨率的成像。但是該方法受到現有石英音叉共振頻率的限制，現有商業音叉的最高共振頻率約為100KHz，遠遠無法滿足快速STM的需求（REVIEW?OF?SCIENTIFIC?INSTRUMENTS,?82,?053705,?(2011））。?

發明內容

本發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、制作頻率低、精度低、共振頻率低和噪音大的缺點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。

本發明的技術方案為：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0.1KHz-100MHz。

本發明旨在于利用新技術制作出小到微米尺寸、具有掃描功能、共振頻率和品質因子更高的掃描器。基于目前的物理原理和工業技術現狀，光刻技術加腐蝕削尖技術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。

本發明高性能微懸臂梁探針掃描器的物理原理和依據分別為：

（1）微懸臂梁探針掃描器的尺寸是現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。因此，掃描器驅動系統從需要維持整個壓電片在掃描范圍內振動變為僅需讓一個微米尺寸的微懸臂梁在掃描范圍內振動，使得消耗的能量減少多個量級，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定性。

（2）微懸臂梁探針被驅動后的品質因子Q在高真空下高達幾萬、大氣下可以達到數千。說明其能量損失很慢，可以長時間地維持穩定的振動，手工制作的壓電陶瓷片的品質因子Q幾乎為0，因此不易在共振頻率處振動，從而需要消耗很多能量，造成掃描器性能的下降。

（3）微懸臂梁探針掃描器通常是以自身的固有頻率振動，而非常見的遠小于共振頻率的振動模式。因為對于高品質因子的振動元件來說，即使不再輸入能量，該元件也能長時間地以共振頻率維持振動，因此能耗進一步降低，并進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定性。?