基于轻敲模式AFM的纳米振动表征方法.pdf

第32卷第4期压电与声光VoL32No．4

2010年8月PIEZ0ELECTRICS＆AOOUST00PTICSAug．2010

文章编号：1004—2474(2010)04—0677—05

基于轻敲模式AFM的纳米振动表征方法

徐临燕，栗大超，刘瑞鹏，邱晗，傅星，胡小唐，张文栋。
(1．天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072；
2．天津航海仪器研究所，天津300131；3．中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原030051)
摘要：针对纳米振动测量方法中存在的间接性、低分辨率、低带宽等局限性，建立了原子力显微镜(AFM)的
轻敲模式下探针与振动样品问相互作用的振动系统模型，采用RLnge-Kutta数值积分方法分析了AFM测振技术
的可行性和工作带宽。使用静电激励的双端固支纳米梁作为测试结构，采用AFM轻敲模式测试了样品的幅频响
应特性。同时采用显微激光多普勒测振系统进行了比对测试，测量结果与AFM轻敲力曲线模式的测量结果相符，
也表现出AFM轻敲模式的测量误差具有与测试样品相关的频率特性。
关键词：纳机电系统；纳米梁谐振器；离面振动；原子力显微镜(AFM)；轻敲模式
中图分类号：TP206．1文献标识码：A

CharacterizationofNanoscaleVibrationUsingTappingModeAFM

XULinyan，LIDachao，LIURuipeng，QIUnan，FUXing，HUXiaotang，ZHANGWendong。
(1．StateKeyLab．ofPrecisionMeasuringTechnologyandInstruments，TianjinUniversity。Tianjin300072，China：
2．TianjinNavigationInstrumentsResearchInstitute，Tianjin300131，China；
3．StateKeyLab．forElemronicMeasurementTechnology，NorthUniversityofChina，Taiyuan030051，China)
Ab1straet：Aimedatsolvingtheproblemsofindirectmeasurement，lowresolutionandlowbandwidthexistingin
themethodsappliedtothenano—vibrationmeasurement，avibrationsystemmodeloftheinteractionbetweenthe
probeandthevibration~mpleunderthelapping-一modeAFMhasbeenestablisheck．Runge-Kuttanumericalmethodis
usedtoanalyzethefeasibilityandthebandwidthofAFMvibrationmeasuringtechnique．Takingfixed—fixed
nanobeamresonatorundertheelectrostaticactuationasthemeasuredsample，theoutofplaneamplitudefrequency
responsecharacteristicsaremeasuredunderthetappingmodeAFM．Meanwhilethecomparisontestingiscarriedout
bythemicro—laserDopplervibrometer，andtheaccordantresultsaregained．Thefrequencyspeciahtyofvibration
measurementerroroftappingmodeAFMisrelatedwiththemeasuredfrequencyofthe．sample．
Keywords：nanoeleetromechaniealsystem；nanobeamresonator；out—of-planevibration；AFM；tappingmode

目前在实验室条件下，微纳谐振器_1动态特性分辨率、微弱作用力和高带宽的直接测试手段。本
测试技术主要包括电学法l2]、电磁法和光学文将首先从各种轻敲力模型中选择适合AFM测试
法l6]。对于微纳谐振器离面机械振动特性的检测，条件的一种，随后建立AFM轻敲模式下探针和振
电学法属于一种间接的测量方法，需建立输出电特动表面构成的2阶振动系统的物理模型，并采用
性值与实际机械振动位移的模型，同时必须考虑电RungeKutta数值求解法计算轻敲模式下样品／探
学