小型自感应原子力显微镜测头及其标定

　　随着纳米科技的蓬勃发展，作为其支撑技术的纳米表征技术日新月异. 如今的纳米技术需要在微观领域实现对几何量信息、机械性能、化学性能、热学性能以及电磁性能等多种物理量的表征. 几何量信息包括静态形貌和动态位移，往往是反映微观世界的基础，因此微/纳尺度下的几何量表征测量便成为重要的纳米表征手段.

　　微/纳几何量测量方法主要包括光学方法、触针轮廓术以及扫描探针等几种方法[1]. 与前两种方法相比，扫描探针法在水平分辨力上优势明显. 扫描探针显微镜( scanning probe microscope，SPM) 是目前较为普遍的可以直接对微观样品进行测量、成像和操纵等多种功能的一类仪器，原子力显微镜( atomic forcemicroscope，AFM) 是 SPM 中 较 常 用 的 一 种 设 备[2].AFM 的基本原理较为简单，带有针尖的悬臂梁在样品表面进行扫描，针尖-样品间的相互作用力使悬臂梁发生偏转，通过检测悬臂梁的偏转以测量样品表面的形貌信息.

　　较早出现的 AFM 的工作模式为接触模式[2]，属于静态测量，即在测量过程中针尖与样品保持接触.由此，横向作用力对探针的干扰较大，测量信噪比较低. 为了克服这一问题，各种动态模式 AFM 应运而生[3]，轻敲式 AFM[4]为其中之一. 在轻敲模式下，探针的悬臂梁保持振动，针尖与样品仅仅间歇接触，从而横向作用力被减小. 悬臂梁振幅的变化表征样品表面的位移，较高的品质因数可以提升测量的信噪比.较常用的测量悬臂梁振幅的方法是使用带有光学传感器的光杠杆或激光干涉仪[5]. 这 2 种方法都需要对激光光斑进行对准. 如果受到外界影响，造成激光光束漂移，则必须中断测量，重新进行一次该过程. 此外，由于每根探针对应的激光反射点和光路都不同，更换探针必须进行重新对准. 理想的 AFM 探针应该是自感应式的，即将传感器与探针集成，使探针自身可以感知悬臂梁的变化. 目前的自感应探针包括电容式[6]、压阻式[7]和压电式[8]. 音叉探针是压电式探针中的一种，以音叉作为探针的激励源，具有稳定的高谐振频率和较高的品质因数，同时具有压电特性的音叉又可以用作探针的传感器. 音叉探针往往由于弹性常数较大，在大气下的振幅被限制在亚纳米级甚至更低，因此该类探针一般工作在真空环境下[9].

　　本文研究目的是设计可以在大气环境下工作的轻敲式自感应 AFM 测头. 为了快速计算测头工作频率下悬臂梁的自由振幅，利用显微激光多普勒测振系统，标定了测头的机电耦合系数，搭建了以纳米定位测量机为平台的实验系统，标定了测头的灵敏度，并使用该系统对测头性能进行了初步评价.