[实用新型]一种高品质因子高共振频率的带针尖的微悬臂梁扫描器

说明书

技术领域

本实用新型属于扫描隧道显微镜中带针尖的微悬臂梁扫描器技术领域，具体涉及一种高品质因子高共振频率的带针尖的微悬臂梁扫描器。

背景技术

当前，快速扫描隧道显微镜（STM）始终未能找到一款合适的高频振动扫描器，极大地制约了快速扫描隧道显微镜的发展和应用。为此，国际上有很多科研小组在致力于高共振频率扫描器的开发与应用。

应用最早、历时最长的快速扫描器是多晶压电陶瓷管，但科研人员经过详细分析后发现，多晶压电陶瓷管共振频率低，最大扫描频率仅能实现1KHz左右，且迟滞和蠕变性强，不适合高频扫描器。后来，科研人员逐步将目光转移至选用更小尺寸的压电元件。

例如，应用物理学杂志的文章报道了一种直径10mm、厚1.3mm的PZT-4型小尺寸压电陶瓷片高频扫描器，该压电片四周被牢牢地粘接在基座上，该方法制作出来的扫描器的共振频率达到了近200KHz。但是利用该高频扫描器并没有得到原子分辨率的图像，说明该扫描器的噪音较大、精度较低，并且该制备方法存在由手工切割、手工粘接以及手工布线引起的制作效率低的缺点（J. Appl. Phys. 75, 161, (1994)）。

科学仪器评论的文章报道了利用5mm*5mm、厚度约为1mm的小尺寸压电陶瓷制作高共振频率扫描器的方法。该方法将共振频率提高到了约64KHz，从振动响应曲线可以看出，其机械品质因子几乎为零，因此导致振动特性较差，应用前景不大；并且64KHz的共振频率仍远低于科研的要求，而且该扫描器需要采用手工切割、手工粘接以及手工布线的方法制作，导致制作出来的扫描器存在效率低和精度低的缺点（REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, 76, 053710, (2005)）。

科学仪器评论的文章还报道了利用约5mm长的32.768KHz石英音叉作高共振频率扫描器的方法，粘接探针后该方法实现了约24KHz的共振频率，并在26KHz的扫描频率下实现了原子分辨率的成像。但是该方法受到现有石英音叉共振频率的限制，现有商业音叉的最高共振频率约为100KHz，远远无法满足快速STM的需求（REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, 82, 053705, (2011））。

发明内容

本实用新型为解决上述手工方法制作的高频扫描器迟滞和蠕变性强、制作频率低、精度低、共振频率低和噪音大的缺点而提供了一种制作效率高、精度高、共振频率高且噪音小的高品质因子高共振频率的带针尖的微悬臂梁扫描器。

本实用新型的技术方案为：一种高品质因子高共振频率的带针尖的微悬臂梁扫描器，其特征在于包括微纳加工工艺一体成型的微米级针尖和微悬臂梁，其中针尖位于微悬臂梁的窄面上且针尖的指向与该微悬臂梁窄面法线的夹角不大于45°，所述的针尖和微悬臂梁的材料均为单晶硅或单晶二氧化硅，在针尖和微悬臂梁上均镀有铂铱合金、黄金、钴、铬或镍。

本实用新型所述的高品质因子高共振频率的带针尖的微悬臂梁扫描器的共振频率为0.1KHz-100MHz。

本实用新型旨在于利用新技术制作出小到微米尺寸、具有扫描功能、共振频率和品质因子更高的扫描器。基于目前的物理原理和工业技术现状，光刻技术加腐蚀削尖技术制作出的曲率半径为2nm的针尖适用于STM的针尖；制作出的高品质因子Q高共振频率的带针尖的微悬臂梁可用作STM的扫描器。

本实用新型高性能微悬臂梁探针扫描器的物理原理和依据分别为：

（1）微悬臂梁探针扫描器的尺寸是现有手工制作的扫描器的几毫米的记录的千分之一-微米量级。因此，扫描器驱动系统从需要维持整个压电片在扫描范围内振动变为仅需让一个微米尺寸的微悬臂梁在扫描范围内振动，使得消耗的能量减少多个量级，大大降低了因大能耗引起的温漂、蠕变、迟滞等一系列影响，提高了扫描器的精度和稳定性。

（2）微悬臂梁探针被驱动后的品质因子Q在高真空下高达几万、大气下可以达到数千。说明其能量损失很慢，可以长时间地维持稳定的振动，手工制作的压电陶瓷片的品质因子Q几乎为0，因此不易在共振频率处振动，从而需要消耗很多能量，造成扫描器性能的下降。

（3）微悬臂梁探针扫描器通常是以自身的固有频率振动，而非常见的远小于共振频率的振动模式。因为对于高品质因子的振动元件来说，即使不再输入能量，该元件也能长时间地以共振频率维持振动，因此能耗进一步降低，并进一步降低由高能耗带来的温漂等系列噪音问题，提高扫描器的精度和稳定性。