压电探针应用于原子力显微镜液体成像的研究

　　原子力显微镜[1](AFM)是一种高灵敏度、高分辨力的表面分析仪器,而轻敲模式则是AFM的重要成像模式之一.轻敲模式下针尖与样品间歇接触,不仅减小了扫描过程中两者间的摩擦力,而且还可以有效地减小针尖对样品的破坏,并适用于对各种软性材料特性的研究[2O4].另外,液体中的轻敲模式能在生理条件下对生物样品成像[5,6],这对于生物动态过程的研究有着重要的意义.

　　在轻敲模式下,原子力显微镜的探针激振方法主要包括利用AFM仪器测头内的压电陶瓷管和磁场激振方法.当压电陶瓷管激振时,探针的振动是固体和液体传递过程共同作用的结果,这种以液池为媒介的间接激振方法会造成探针的寄生振动[4],寄生振动峰使得选择探针的谐振频率非常困难[7].不仅如此,这种激振方法还会造成AFM检测系统的振动,降低AFM的检测灵敏度[8,9].另外,液池的振动还会造成生物样品的颤抖和移动[10],从而影响成像性能.

　　另一种探针激振方法是磁场激振方法,采用这种方法需要首先在探针的微悬臂梁上制备一层磁性膜,然后通过外部励磁线圈给探针施加交变电磁场,使探针在交变电磁场中受激励而产生振动.采用这种方法的仪器结构较复杂,同时由于探针基体的主谐振模态的影响,在频率为35~50 kHz区间,探针会产生寄生振动[10].

　　本文研究了一种使用压电探针的直接激振方法,压电探针[11]是微悬臂梁上集成了ZnO压电薄膜的微探针,在这层压电薄膜上施加驱动信号可以直接激励探针.在间接激振和直接激振方法下,对探针在液体中的振动性能进行了比较,并以海拉细胞为样品对直接激振法的原子力显微镜成像性能进行了实验研究.

　　1　实　验

　　实验中使用的压电探针是由美国Veeco公司生产,其型号为MPAO41200O10,其结构如图1所示.压电薄膜的上下两极各有一根导线引出,并通过PCB板的电极与AFM控制器连接,ZnO薄膜通过MEMS (MicroOElectro2Mechanical2System,简称MEMS)体硅加工工艺被制备在微悬臂梁表面上,它从内到外依次为0·25μm厚的Ti/Au合金膜、3·5μm厚的ZnO薄膜和0·25μm厚的Ti/Au合金膜.ZnO薄膜和硅微悬臂梁一起相当于双压电晶片元件,ZnO压电薄膜的作用包括:①静态地使探针针尖偏移;②激励并控制探针振动.当ZnO压电薄膜作为驱动时,MPA241200210型探针的ZnO薄膜的灵敏度标称值为20 nm/V,崩溃电压标定值为10 V,空气中的谐振频率标称值为50 kHz.

　　实验中使用的仪器是美国Veeco公司生产的Multi2mode NanoScope III(a)型多功能扫描探针显微镜(SPM),由于该型号的原子力显微镜不支持这种压电探针,因此专门设计了探针架,使这种探针能够在该仪器上使用.设计的探针架由有机玻璃材料加工而成,如图2所示,探针架中安装有包含探针的PCB板,并在探针架上固定了6个接线端子,分别与Nanoscope III(a)型仪器测头的相应电极相连接,PCB板由两侧的螺钉通过压板固定在探针架上.为了避免在液体环境下成像时液体泄漏对扫描器的损坏,采用只在液池内滴2~3滴液体的方法,液体虽少,但不影响液体环境中对样品的正常成像.另外,压电探针本身没有绝缘膜,不能直接在液体中使用.为此,使用小型喷雾器将1%的聚合物溶液喷洒在探针和PCB板表面,待溶剂挥发后可以使压电薄膜和PCB板绝缘.这种绝缘方法虽然已被Rog2ers[10]等的实验证实,但是绝缘层不宜太厚,否则对探针的振动性能影响很大.