近場微波顯微鏡測試樣品介電常數(shù)依賴于針尖與樣品的距離,準(zhǔn)確控制針尖與樣品距離是準(zhǔn)確測試介電常數(shù)的基礎(chǔ).基于諧振腔諧振頻率隨針尖-樣品距離接近曲線的探究,本文提出了一種準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)探針與樣品軟接觸的方法,采用軟接觸模式測量了一系列已知介電常數(shù)樣品的諧振頻率,并對(duì)所得的諧振頻率-介電常數(shù)曲線進(jìn)行擬合.結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論非常吻合,擬合所得空載諧振頻率也與實(shí)驗(yàn)一致.本文建立的軟接觸方法可準(zhǔn)確控制針尖與樣品的距離,實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)的定量化準(zhǔn)確測試. 

【文章來源】：測試技術(shù)學(xué)報(bào). 2020,34(06)

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

探針與樣品的結(jié)構(gòu)示意圖

圖 2 中假定任意一個(gè)測試點(diǎn)an的諧振頻率為f(an), 則可以看出, an點(diǎn)和an-1點(diǎn)以及之前的測試點(diǎn)都滿足上述變化規(guī)律, 即f(an)- f(an-1)>f(an-1)-f(an-2), 這種變化趨勢與理論結(jié)果一致. 然而, an-1, an, an+1這3點(diǎn)并不滿足上述變化規(guī)律. 這是由于針尖已經(jīng)在(an, an+1)兩個(gè)測試點(diǎn)之間與樣品發(fā)生了接觸, 因此, 可以把a(bǔ)n+1這個(gè)點(diǎn)視為針尖與樣品剛好接觸, 即發(fā)生了軟接觸.利用上述方法, 隨著針尖向樣品逐漸接近, 在每個(gè)距離H下測試諧振頻率時(shí), 若f(an+1)-f(an)<f(an)-f(an-1), 則可以判定針尖與樣品發(fā)生了軟接觸, 隨即終止針尖繼續(xù)向下移動(dòng), 此時(shí)探針自動(dòng)停留在an+1點(diǎn), 記錄下此時(shí)的諧振頻率, 用以計(jì)算介電常數(shù), 則可以保證對(duì)所有樣品都實(shí)現(xiàn)探針與樣品之間的軟接觸測試.

利用上述方法, 隨著針尖向樣品逐漸接近, 在每個(gè)距離H下測試諧振頻率時(shí), 若f(an+1)-f(an)<f(an)-f(an-1), 則可以判定針尖與樣品發(fā)生了軟接觸, 隨即終止針尖繼續(xù)向下移動(dòng), 此時(shí)探針自動(dòng)停留在an+1點(diǎn), 記錄下此時(shí)的諧振頻率, 用以計(jì)算介電常數(shù), 則可以保證對(duì)所有樣品都實(shí)現(xiàn)探針與樣品之間的軟接觸測試.對(duì)圖 2 中諧振頻率fr隨距離H的變化曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行一階差分可以得到如圖 3 所示的相鄰兩點(diǎn)的諧振頻率差值Δfr與距離H之間的關(guān)系曲線. 從圖 3 中可以看出, 當(dāng)探針與樣品之間的距離較遠(yuǎn)時(shí)Δfr幾乎重合在一起, 并呈現(xiàn)上下無規(guī)律波動(dòng), 這是由于本文所用NSMM系統(tǒng)的分辨率有限導(dǎo)致的, 當(dāng)諧振頻率變化小于系統(tǒng)噪聲時(shí), 就不能獲得準(zhǔn)確的諧振頻率變化. 本文把這部分視為噪聲(noise), 由于噪聲的存在, 使得判斷f(an+1)-f(an)與f(an)-f(an-1)之間關(guān)系時(shí)容易發(fā)生誤判, 導(dǎo)致探針與樣品實(shí)際并沒有軟接觸. 從圖 3 中可以發(fā)現(xiàn), 這種噪聲小于1 MHz, 而在軟接觸點(diǎn)附近, 諧振頻率變化大于1 MHz, 從而本文將噪聲的上限設(shè)置為1 MHz. 當(dāng)前后兩個(gè)測試點(diǎn)的諧振頻率差Δfr小于1 MHz時(shí), 認(rèn)為系統(tǒng)運(yùn)行在噪聲區(qū)域, 此時(shí)探針繼續(xù)向下移動(dòng)靠近樣品, 當(dāng)前后兩個(gè)測試點(diǎn)的諧振頻率差Δfr>1 MHz時(shí), 才判斷是否達(dá)到了軟接觸.

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]針尖-樣品距離對(duì)近場掃描微波顯微鏡空間分辨率的影響[J]. 鞠量,彭斌,黃和,曾慧中,張萬里.  測試技術(shù)學(xué)報(bào). 2019(04)
[2]近場微波顯微鏡對(duì)石墨烯的無損檢測研究[J]. 彭坤,吳喆,楊山,柳建龍,曾葆青.  真空電子技術(shù). 2018(01)



本文編號(hào)：3253382