近场微波显微镜软接触模式测量介电常数的研究
发布时间：2021-06-27 18:33
近场微波显微镜测试样品介电常数依赖于针尖与样品的距离,准确控制针尖与样品距离是准确测试介电常数的基础.基于谐振腔谐振频率随针尖-样品距离接近曲线的探究,本文提出了一种准确实现探针与样品软接触的方法,采用软接触模式测量了一系列已知介电常数样品的谐振频率,并对所得的谐振频率-介电常数曲线进行拟合.结果表明,实验结果与理论非常吻合,拟合所得空载谐振频率也与实验一致.本文建立的软接触方法可准确控制针尖与样品的距离,实现介电常数的定量化准确测试.
【文章来源】：测试技术学报. 2020,34(06)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
探针与样品的结构示意图
图 2 中假定任意一个测试点an的谐振频率为f(an), 则可以看出, an点和an-1点以及之前的测试点都满足上述变化规律, 即f(an)- f(an-1)>f(an-1)-f(an-2), 这种变化趋势与理论结果一致. 然而, an-1, an, an+1这3点并不满足上述变化规律. 这是由于针尖已经在(an, an+1)两个测试点之间与样品发生了接触, 因此, 可以把an+1这个点视为针尖与样品刚好接触, 即发生了软接触.利用上述方法, 随着针尖向样品逐渐接近, 在每个距离H下测试谐振频率时, 若f(an+1)-f(an)<f(an)-f(an-1), 则可以判定针尖与样品发生了软接触, 随即终止针尖继续向下移动, 此时探针自动停留在an+1点, 记录下此时的谐振频率, 用以计算介电常数, 则可以保证对所有样品都实现探针与样品之间的软接触测试.
利用上述方法, 随着针尖向样品逐渐接近, 在每个距离H下测试谐振频率时, 若f(an+1)-f(an)<f(an)-f(an-1), 则可以判定针尖与样品发生了软接触, 随即终止针尖继续向下移动, 此时探针自动停留在an+1点, 记录下此时的谐振频率, 用以计算介电常数, 则可以保证对所有样品都实现探针与样品之间的软接触测试.对图 2 中谐振频率fr随距离H的变化曲线数据进行一阶差分可以得到如图 3 所示的相邻两点的谐振频率差值Δfr与距离H之间的关系曲线. 从图 3 中可以看出, 当探针与样品之间的距离较远时Δfr几乎重合在一起, 并呈现上下无规律波动, 这是由于本文所用NSMM系统的分辨率有限导致的, 当谐振频率变化小于系统噪声时, 就不能获得准确的谐振频率变化. 本文把这部分视为噪声(noise), 由于噪声的存在, 使得判断f(an+1)-f(an)与f(an)-f(an-1)之间关系时容易发生误判, 导致探针与样品实际并没有软接触. 从图 3 中可以发现, 这种噪声小于1 MHz, 而在软接触点附近, 谐振频率变化大于1 MHz, 从而本文将噪声的上限设置为1 MHz. 当前后两个测试点的谐振频率差Δfr小于1 MHz时, 认为系统运行在噪声区域, 此时探针继续向下移动靠近样品, 当前后两个测试点的谐振频率差Δfr>1 MHz时, 才判断是否达到了软接触.
【参考文献】：
期刊论文
[1]针尖-样品距离对近场扫描微波显微镜空间分辨率的影响[J]. 鞠量,彭斌,黄和,曾慧中,张万里. 测试技术学报. 2019(04)
[2]近场微波显微镜对石墨烯的无损检测研究[J]. 彭坤,吴喆,杨山,柳建龙,曾葆青. 真空电子技术. 2018(01)
本文编号：3253382
【文章来源】：测试技术学报. 2020,34(06)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
探针与样品的结构示意图
图 2 中假定任意一个测试点an的谐振频率为f(an), 则可以看出, an点和an-1点以及之前的测试点都满足上述变化规律, 即f(an)- f(an-1)>f(an-1)-f(an-2), 这种变化趋势与理论结果一致. 然而, an-1, an, an+1这3点并不满足上述变化规律. 这是由于针尖已经在(an, an+1)两个测试点之间与样品发生了接触, 因此, 可以把an+1这个点视为针尖与样品刚好接触, 即发生了软接触.利用上述方法, 随着针尖向样品逐渐接近, 在每个距离H下测试谐振频率时, 若f(an+1)-f(an)<f(an)-f(an-1), 则可以判定针尖与样品发生了软接触, 随即终止针尖继续向下移动, 此时探针自动停留在an+1点, 记录下此时的谐振频率, 用以计算介电常数, 则可以保证对所有样品都实现探针与样品之间的软接触测试.
利用上述方法, 随着针尖向样品逐渐接近, 在每个距离H下测试谐振频率时, 若f(an+1)-f(an)<f(an)-f(an-1), 则可以判定针尖与样品发生了软接触, 随即终止针尖继续向下移动, 此时探针自动停留在an+1点, 记录下此时的谐振频率, 用以计算介电常数, 则可以保证对所有样品都实现探针与样品之间的软接触测试.对图 2 中谐振频率fr随距离H的变化曲线数据进行一阶差分可以得到如图 3 所示的相邻两点的谐振频率差值Δfr与距离H之间的关系曲线. 从图 3 中可以看出, 当探针与样品之间的距离较远时Δfr几乎重合在一起, 并呈现上下无规律波动, 这是由于本文所用NSMM系统的分辨率有限导致的, 当谐振频率变化小于系统噪声时, 就不能获得准确的谐振频率变化. 本文把这部分视为噪声(noise), 由于噪声的存在, 使得判断f(an+1)-f(an)与f(an)-f(an-1)之间关系时容易发生误判, 导致探针与样品实际并没有软接触. 从图 3 中可以发现, 这种噪声小于1 MHz, 而在软接触点附近, 谐振频率变化大于1 MHz, 从而本文将噪声的上限设置为1 MHz. 当前后两个测试点的谐振频率差Δfr小于1 MHz时, 认为系统运行在噪声区域, 此时探针继续向下移动靠近样品, 当前后两个测试点的谐振频率差Δfr>1 MHz时, 才判断是否达到了软接触.
【参考文献】：
期刊论文
[1]针尖-样品距离对近场扫描微波显微镜空间分辨率的影响[J]. 鞠量,彭斌,黄和,曾慧中,张万里. 测试技术学报. 2019(04)
[2]近场微波显微镜对石墨烯的无损检测研究[J]. 彭坤,吴喆,杨山,柳建龙,曾葆青. 真空电子技术. 2018(01)
本文编号：3253382
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