[发明专利]一种AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的装置及方法

权利要求书

1.一种AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的装置，其特征在于所述装置包括AFM、手动二维调整台、精密主轴及二维高精度定位平台，其中：手动调整二维台的底部与精密主轴的上端连接，精密主轴的下端与二维高精度定位平台连接，二维高精度定位平台底座固连在AFM的样品台上。

2.根据权利要求1所述的AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的装置，其特征在于所述二维高精度定位平台由X方向精密工作台和Y方向精密工作台层叠组成，精密主轴的下端与X方向精密工作台的滑块连接，Y方向精密工作台底座固连在AFM的样品台上。

3.根据权利要求2所述的AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的装置，其特征在于所述X方向精密工作台与Y方向精密工作台都是毫米尺度、纳米级定位精度的位移台。

4.一种AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

一、被加工样品固定在手动二维调整台的上部，对精密主轴进行调心，并确定AFM探针与精密主轴回转中心的相对位置关系；

二、确定AFM探针的刻划方向，对AFM针尖施加加工载荷，移动二维高精度定位平台进行刻划图案的第一条线；

三、将施加到AFM探针上的载荷设置为零，旋转精密主轴配合移动二维高精度定位平台使得第一条线的终点与针尖位置重合，并且沿着相同方向刻划时第二条线与第一条线的角度偏差与所需加工结构图案一致，根据第二条线的长度进行刻划；

四、重复步骤二和三，直至完成整个图案的加工。

5.根据权利要求4所述的AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的方法，其特征在于所述步骤一的具体方法如下：

（1）将被加工样品固定在手动二维调整台上，在被加工样品表面上做一个十字形标记，通过在光学显微镜下观察，用手动二维调整台粗略地将十字形标记中心调整到精密主轴回转中心位置附近；AFM探针接近样品表面，利用AFM的辅助光学显微镜清楚地看清样品表面，并将精密主轴转动180°，两个位置的十字形标记连线的中点位置大概为精密主轴的轴心；利用手动二维调整台将标记的十字形中心调整到旋转精密主轴180°前后两个位置的十字形标记连线的中心处，AFM探针接近样品，在AFM辅助显微镜下观察AFM探针与十字形中心的位置，控制二维高精度定位平台使AFM探针与十字形中心位置重合；

（2）调节手动二维调整台，AFM工作在接触模式，施加一定载荷使AFM探针接触被加工样品表面并保持AFM探针扫描范围设置为零，精密主轴回转360°，完成机械刻划后，将AFM工作模式转换为轻敲模式对加工区域进行扫描；通过AFM测得加工区域的表面形貌图后，将所述表面形貌图中提取的圆轨迹的圆心作为精密主轴的回转中心；并且可以确定AFM探针与精密主轴回转中心的相对位置关系。

6.根据权利要求4所述的AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的方法，其特征在于所述步骤二中，AFM针尖加工刻划方向为垂直于AFM探针悬臂的方向。

7.根据权利要求4所述的AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的方法，其特征在于所述步骤二的具体方法如下：

确定针尖加工刻划方向为垂直于AFM探针悬臂的方向，将AFM探针的扫描范围设置为零，并对探针施加一定载荷使探针接触被加工样品表面；根据第一条线结构的长度，控制Y方向二维高精度定位平台移动到需要到达的位置，针尖移动的起点和重点距离为第一条线结构的长度，二维定位的移动方向与探针的刻划方向相反。

8.根据权利要求4所述的AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的方法，其特征在于所述步骤三的具体方法如下：

（1）将施加到AFM探针上的载荷设置为零，根据第二条线与第一条线的夹角，控制精密主轴旋转一定角度并控制二维高精度定位平台将第一条线结构的终点移动到与AFM探针与被加工样品表面接触点重合的位置，并确定旋转角度使得第一次与第二次刻划的加工方向一致；

（2）根据第二条线结构的长度控制Y方向二维高精度定位平台移动相应距离，实现第二条线结构的加工刻划。

9.    根据权利要求4或8所述的AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的方法，其特征在于所述步骤三中，第二次刻划施加所需加载的载荷与第一次刻划的载荷相同。