计量型AFM力曲线功能的开发及其在纳米振动测量中的应用

　　子力显微镜(AFM)是微纳米尺度下研究样品表面特性的重要仪器之一,除具有原子尺度上的高分辨成像功能外,还可以测量纳米尺度上样品和针尖相互作用的力曲线信息[1-2].力曲线在纳米压痕[3]、弯曲测试[4-5]、离面振动测试[6]等微纳米器件静态力学特性分析和动态特性分析[7-9]方面具有重要的意义.美国VEECO公司的Multimode型原子力显微镜具有力曲线功能,但由于样品台较小且3轴方向上的压电陶瓷驱动器均工作在开环状态,无法满足大样品力曲线的精密测量. D3100m计量型原子力显微镜具有较大的样品台,测量时移动探针而不必移动样品,降低了制样要求,能满足对大样品的测量需求.同时,D3100m计量型原子力显微镜具有3轴方向的闭环电容反馈,可有效降低压电陶瓷驱动器固有的迟滞性、非线性等缺点带来的测量误差.但由于D3100m计量型原子力显微镜不具有力曲线功能模块,限制了其在微纳米科学中的应用,因此增加其力曲线功能显得十分必要.

　　本文中论述了一种在D3100m计量型原子力显微镜上增加力曲线模块的方法,利用该力曲线功能对纳米谐振器[10]的离面振动幅度进行了测量,并将实验结果与显微激光多普勒测振[11-12]结果进行了对比,验证了新开发的力曲线功能模块的功能.

　　1　增加力曲线模块的方法

　　力曲线是指反馈关闭的状态下,微探针在样品表面进行单点加载/卸载过程中,Z向压电陶瓷驱动器的位移和针尖偏转信号之间的关系曲线.

　　1·1　原理和方法

　　从AFM轻敲模式的正常扫描状态使之进入力曲线模式的核心思想是:首先,将扫描范围设置为零,关闭PI反馈,这样便具备了微探针在样品表面进行单点加载/卸载的前提条件;随后,对Z向压电陶瓷外加一定大小的三角波电压信号使其往复伸长/缩短,从而改变针尖与样品间的相对位置,并记录加载/卸载过程中Z向压电陶瓷位置和针尖偏转信号的数据;最后,以Z向压电陶瓷位置(Height通道)为横坐标,针尖偏转信号(TM Deflect通道)为纵坐标绘制曲线,则该曲线即为力曲线.

　　1·2　系统结构及其实现

　　由力曲线模块的核心思想可知,仪器改造的关键步骤是对Z向压电陶瓷施加合适的电压.图1为改造后的计量型AFM系统示意,控制箱输入的25针输入线的一针为Z向压电陶瓷的输入控制线.双选开关在k2点处时,AFM进入正常扫描状态,控制箱通过Z向压电陶瓷输入线向电学箱输入控制信号,控制Z向压电陶瓷的位置,电学箱把针尖振幅与偏转信号送回到控制箱.控制箱可与计算机之间交换数据和控制信号.当把双选开关接到k1点时,切断了控制箱对Z向压电陶瓷的控制,压电陶瓷的Z向位置由波形发生器控制.使波形发生器产生一定频率的三角波,并把该三角波电压放大到压电陶瓷电压与位移线性变化关系范围内,则在一个三角波周期内刚好完成压电陶瓷的加载与卸载过程,从而实现了力曲线的绘制过程.