基于石英晶振的简易扫描探针系统力学测量模块的研究(3)
因为受到AFM的启发，人们开始利用试样和针尖之间的力学、磁学、光学、电学等各种物理效应，从而获得试样表面各种特性。研究人员利用摩擦力、磁力、激光力、相位、静电力、电容扫描、热扫描等各种效应，依据STM和AFM的原理，研制出了各种系列显微镜，由于这些显微镜均是通过某种作用控制探针的针尖在离试样表面一定的距离处进行扫描测量，得到这些作用中某些相关量的变化，从而得到试样材料表面的样貌及相关物理、化学性质信息，所以，将以上各系列显微镜统称为SPM。SPM的各种显微镜通过对材料表面各种物理量的检测得到使材料的表面样貌，每种显微镜利用不同原理，运用于各种不同领域，极大程度上丰富了SPM的应用范围，成为研究材料表面微观样貌的工具[9-12]。
1.2 微悬臂的制备技术的发展概况
1.2.1 扫描力显微镜的原理
在SPM中，有一种扫描力显微镜(Scanning Force Microscopy，简称SFM)是利用探针尖端原子与试样表层原子之间的排斥力、静电力、摩擦力、磁力等相互的作用力，来测量试样材料微观的物理、化学性质，取得试样表面的某些样貌信息，AFM也属于其中的一种[13-14]。
SFM的测量机理都是利用探针尖端原子与试样表层原子之间的作用力，这决定了其关键在于检测微力的传感器——微悬臂以及检测微悬臂形变的装置。首先探针的尖端需要尽可能的尖锐，其次需要微悬臂有低的力弹性常数和高的横向刚性，低力弹性常数使微悬臂受到相等的微弱力时能产生更大的形变，这样能够使传感器更容易检测到，提高检测的精度，而横向上的刚度高可以减少横向上的力对于微悬臂形变影响，从而避免其对测量的干扰，同时，对于微悬臂形变的测量需要达到nm级的高精确度，这样可以提高SFM的精确度和灵敏性，以保证能够精准地检测出试样的表面样貌[15-16]。因此，微悬臂及其探针的制备技术的发展对SFM技术的发展有着举足轻重的影响和作用。因为在测量过程中，需要针尖十分靠近试样，针尖与试样表面之间的距离会非常小，因此微悬臂和针尖都很容易被破坏，所以微悬臂和探针的制作工艺需要很简单方便，也需要易于使用及更换[17-20]。
1.2.2 石英晶振传感器的原理
在SFM成像时，有接触测量模式（contact mode）、轻敲测量模式（tapping mode）和非接触测量模式（non-contact mode）三种成像方式，其中在使用接触测量和轻敲测量模式时，探针针尖会直接碰到试样的表面，因此针尖很容易将试样损坏或弄脏[16]，而在使用非接触测量模式时，会控制探针的扫描运动，是在距离试样表面一定距离的高度上，这样不容易弄脏或损坏试样，但是针尖和试样之间相互作用的力是长程作用的范德华力，这种力十分微弱，其大小要远小于使用接触测量模式时的原子间排斥力，所以在实际测量时很难检测到微悬臂的形变，即也很难检测到试样表面的形貌[21]。
为了能够测量到微悬臂的形变信号，提高测量结果的信噪比，人们开始考虑使用石英等压电材料作为微悬臂，受到机械力时，材料会产生机械形变，而压电材料会因为机械形变产生电荷，当压电材料处于电场中的时候，会有逆向的作用，即会发生形变，其形状大小会发生改变[22]。根据这种现象，人们能够通过测试压电材料电信号的改变从而获得其机械振动的特征信息改变，因此通过使用压电材料来制作微悬臂，人们能够更加简单易行地检测到探针尖端与试样表面之间微弱力的变化，从而获得试样表面的微观形貌。但是使用压电材料制作微悬臂也存在着一些不足，首先，由于压电材料制成的微悬臂品质因数Q值较低，从而会导致制成显微镜的分辨率也较低，不能达到使用的要求，其次，想要在片状的压电材料表面制作出极细小的针尖，需要通过刻蚀技术，这样成本很高，而微悬臂和探针又很容易损坏，所以很大程度上提高了显微镜的成本，给显微镜的推广使用造成了不小的困难。因此人们需要发现一种高品质因数Q且常见易获得的压电材料，来将其作为传感器使用。
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