[發明專利]一種原子力顯微鏡探針模態形狀優化設計方法

有效

• 申請號: 201611174551.5
• 申請日: 2016-12-19
• 公開（公告）號: CN106815404B
• 公開（公告）日: 2019-06-28
• 發明（設計）人: 夏奇;李振華;史鐵林
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 周磊

本發明屬于原子力顯微鏡領域，并公開了一種原子力顯微鏡探針模態形狀優化設計方法，包括以下步驟：(1)將原子力顯微鏡探針簡化成為長度、寬度和厚度分別為L、w、h且帶有集中質量點的懸臂梁；(2)根據懸臂梁探針結構進行有限元建模，定義設計變量；(3)定義目標模態向量φ₀；(4)定義目標函數J；(5)求解步驟(2)的有限元模型，獲得目標函數J關于設計變量的敏度，梯度下降法更新設計變量；(6)使目標函數J收斂。本發明可以使一階振動模態下探針懸臂在光束反射處提供更大的傾斜度，提高了檢測靈敏度，同時目標函數中特征值的部分可以使一階振動頻率盡量不受影響。

技術領域

本發明屬于原子力顯微鏡領域，更具體地，涉及一種原子力顯微鏡探針模態形狀優化設計方法。

背景技術

原子力顯微鏡(AFM)是一種用來研究固體材料表面結構的分析儀器，其通過帶有探針的懸臂梁結構接觸樣品表面，檢測針尖與樣品表面原子間作用力的變化來研究物體表面的性質，其廣泛運用于微納米結構表面形貌測量，生物大分子活體結構行為觀測，分析分子間作用力以及進行微納米結構的加工。

典型的原子力顯微鏡包括以下幾個組成部分：力檢測部分，用于檢測原子間的作用力，通常是使用微小懸臂梁結構，懸臂梁自由端附有針尖并且背面帶有反射光束的鍍層，懸臂的結構參數決定了懸臂的性能以用于不同的檢測模式及檢測用途；位置檢測部分，在檢測中樣品與針尖的相互作用力使懸臂梁末端發生偏轉，照射在懸臂背面的激光束也因此產生偏轉角，反射光束的偏轉量在光斑位置檢測器上留下記錄轉換成電信號，供SPM控制器做信號處理；反饋系統，反饋系統將位置檢測器收到的信號當作反饋信號，用來調整驅動壓電陶瓷管制作的掃描器做適當移動，保持樣品表面與針尖的作用力相等(恒力模式)。

原子力顯微鏡按針尖與樣品間作用力形式通常有三種工作模式：接觸模式、非接觸模式、輕敲模式。接觸模式中針尖與樣品表面保持緊密接觸，相互作用力為排斥力，測量縱向分辨率高，空間分辨率低，施加在針尖上的力可能破壞試樣結構；非接觸模式與輕敲模式均為動態模式，非接觸模式檢測懸臂在樣品上方振動，不適合大氣環境下測量，掃描速度低；輕敲模式介于前述兩種模式之間，懸臂在試樣上方以其共振頻率震蕩，針尖周期性短暫接觸表面，消除了橫向力影響，分辨率高且不易損傷樣品表面，但是其掃描速度、靈敏度有待提高。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種原子力顯微鏡探針模態形狀的優化設計方法，提升了一階輕敲模式下原子力顯微鏡的檢測靈敏度，同時對掃描速度不造成影響。

為實現上述目的，按照本發明，提供了一種原子力顯微鏡探針模態形狀優化設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)將原子力顯微鏡探針簡化成為長度、寬度和厚度分別為L、w、h且帶有集中質量點的懸臂梁，集中質量點質量為探針針尖質量，然后沿厚度方向將懸臂梁分為三層，中間層為厚度為t的非設計層，上下兩層均為設計層且上下對稱；

(2)根據懸臂梁探針結構進行有限元建模：以固定端為坐標原點，沿長度L方向將懸臂梁離散成等長度的Euler-Bernoulli梁單元結構，得到單元相應結點及坐標，Euler-Bernoulli梁單元結點的縱坐標y₁,y₂,y₃,......y_n,y_n+1為0，將設計層的結構單元寬度定義為設計變量其中n表示離散的單元個數并且n為正整數；