CN100387967C - 扫描探针显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种既能够有效防止划伤样品，又能够减少图像失真，从而有利于获得精确表征样品表面形貌的高分辨率图像的扫描探针显微镜，包括激光发射器、微悬臂、振荡装置、扫描管以及光斑位置检测器，所述微悬臂一端设置有探针，另一端与振荡装置相连，所述振荡装置包括压电陶瓷晶体和控制该压电陶瓷晶体振荡频率和振幅的振荡频率控制器，所述微悬臂固定在压电陶瓷晶体上，其特征在于：所述扫描探针显微镜还包括两个反射镜，分别设置于激光发射器和微悬臂以及微悬臂与光斑位置检测器之间。

Description

扫描探针显微镜

技术领域

本发明涉及用于精密表面分析的显微仪器，特别是一种扫描探针显微镜。

背景技术

扫描探针显微镜是一种形貌表征仪器，优点在于对样品环境的要求低，可以以很高的分辨率对样品表面进行纳米级观测。现有技术中的扫描探针显微镜根据探针与被观测样品表面之间的作用方式分为两种模式：一种是接触模式，另一种是非接触模式。

接触模式的扫描探针显微镜是利用针尖与样品之间的短程原子间的斥力相互作用来成像的，其针尖位于用光刻技术制成的“V”字形微悬臂的顶端下方，针尖端曲率很小，一般小于30nm，可以探测到样品表面存在的磁力、静电力和范德华力等长程力。这种微悬臂既可以感受到微弱的原子间的作用力(10^-7N～10^-10N)，又可以成功地采用“V”型结构抑制图像的扭曲畸变。微悬臂的另一端固定住，针尖趋近样品表面并与表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子之间存在着微弱的库仑排斥力，通常为10^-8～10^-11N，当对样品表面进行扫描时，带有针尖的微悬臂将随着样品表面的起伏而颤动；利用一束激光照射到微悬臂的背面，微悬臂将激光束反射到一个光电检测器，该光电检测器通过其不同象限接收的激光强度差值与微悬臂的形变量呈一定比例关系，可通过反馈系统控制扫描管的轴向即Z方向上的伸缩，从而对Z方向进行补偿，以使针尖尖端原子与样品表面原子之间的作用力保持恒定；通过计算机数据处理系统，将采集的每个坐标点对应的反馈输出值转化为灰度级，在显示屏上表示出样品的表面形貌。但是，使用接触模式时，针尖趋近样品表面并与表面轻轻接触，由于接触面积极小，很小的作用力也会损坏样品，尤其是对柔软的材质；而且，针尖与样品表面的摩擦力会引起微悬臂的弯曲，从而导致图像失真。

非接触模式的扫描探针显微镜，由于针尖与样品表面之间存在相对较远的距离，处于非接触的状态，因而接触模式中存在的毛细管力、静电力等的影响要小得多。但是由于空气等环境因素的影响，其解析度很低，分辨率也必然比接触模式低；而且，这种非接触模式的针尖很容易吸附到样品表面上，引起图像不稳定并损坏样品，所以只适用于观察不易吸附的样品，应用范围不大。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种既能够有效防止划伤样品，又能够减少图像失真，从而有利于获得精确表征样品表面形貌的高分辨率图像的扫描探针显微镜。

本发明的技术方案如下：

扫描探针显微镜，包括激光发射器、微悬臂、振荡装置、扫描管以及光斑位置检测器，所述微悬臂一端设置有探针，另一端与振荡装置相连，所述振荡装置包括压电陶瓷晶体和控制该压电陶瓷晶体振荡频率和振幅的振荡频率控制器，所述微悬臂固定在压电陶瓷晶体上，其特征在于：所述扫描探针显微镜还包括两个反射镜，分别设置于激光发射器和微悬臂以及微悬臂与光斑位置检测器之间。

所述扫描管竖直设置于微悬臂的下方，待检物品置于扫描管的上表面，微悬臂前端的探针位于样品表面上方。

所述扫描管的外表面等分为四份，其中两份分别为正X和负X电极，另两份分别为正Y和负Y电极。

本发明的技术效果如下：

由于本发明扫描探针显微镜，将带针尖的微悬臂固定连接于振荡装置上，这就可以使得带针尖的微悬臂在振荡装置的作用下以确定的频率和振幅进行上下振荡，也就是说，在扫描过程中，针尖既非拖拉跨过样品表面的接触模式，也非远离样品表面的非接触模式，而是可以让针尖与样品表面交替地接触和离开，即轻敲模式。轻敲模式正是本发明的技术实质。采用轻敲模式的本发明扫描探针显微镜，由于克服了接触模式的针尖因被简单的拖拉跨过样品而受到的相关联的摩擦力、粘着力和静电力等的影响，也不存在针尖被吸附到样品表面的可能，所以既能够有效防止划伤样品，又能够减少图像失真，从而有利于获得精确表征样品表面形貌的高分辨率图像。因此，本发明尤其适合检测有生命的生物样品。

由于针尖位于微悬臂的一端，振荡装置位于微悬臂的另一端，这就有利于本发明系统装置的合理布局，并使结构更为简单合理。

由于振荡装置包括压电陶瓷晶体，和对该压电陶瓷晶体的振荡频率及振幅进行控制的振荡频率控制器，微悬臂固定在压电陶瓷晶体上，这就使得本发明的轻敲模式更容易实现。

由于选定了频率、振幅、测试电路、光路系统、光斑位置检测器、扫描管反馈回路和计算机数据处理系统，这就使得本发明可以得到积极有效的优化实施。

附图说明

图1为本发明扫描探针显微镜的结构原理示意图；

图2为本发明中的微悬臂振荡示意图。

图中标记列示如下：

1.激光管；2.反射镜；3.微悬臂；4.压电陶瓷晶体；5.针尖；6.扫描管；7.样品；8.反射镜；9.光斑位置检测器；10.振荡频率控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1和图2所示，本发明扫描探针显微镜，包括激光管1、反射镜2、压电陶瓷晶体4、微悬臂3、针尖5、扫描管6、反射镜8、光斑位置检测器9、样品7。由振荡频率控制器10控制的压电陶瓷晶体4以一定的振荡频率和振幅带动微悬臂3振荡。当其振动频率与样品固有频率相同时，会出现一共振峰，把此时的振幅用控制电路转化为电信号，在控制系统的控制下使带有针尖5的微悬臂3以此振幅在样品7的表面振荡。随着样品表面凸凹变化，带有针尖5的微悬臂3的振幅随之改变。当激光管1发出一束激光经过反射镜2反射到微悬臂3上，微悬臂再把激光反射到反射镜8上，反射镜8反射出的激光到光斑位置检测器9上，光斑位置检测器9测量到这些交替变化的振幅值，再通过反馈回路控制扫描管6，扫描管6是完成扫描的重要元件，它的特点是加正电压时伸长，加负电压时缩短。把扫描管6的外表面等份成四份，其中两份为正X和负X电极，另两份为正Y和负Y电极，而整个管的内壁则作为调节针尖高低的Z向电极。当在X、Y极上加单位电压时，扫描管6在X、Y方向上会有一偏转度，Z方向上会有伸缩，来调整针尖5与样品7之间的距离，保证振幅恒定在某一个恒定值，这样针尖在扫描过程中的运动轨迹就反映了样品的表面形貌。把运动轨迹的数据存入计算机，用灰度值表现出形貌图。

对被观测样品表面进行扫描时，带有针尖的微悬臂在压电陶瓷晶体的作用下，以20nm～100nm的振幅在其谐振频率附近振荡。在扫描过程中，针尖轻轻的敲打样品表面，针尖与样品表面的接触点形成振荡曲线的底部。通过反馈回路，用微悬臂的振动幅值作为反馈信号，以这个反馈信号控制扫描管的轴向伸缩，以保持微悬臂的振幅恒定。把扫描管在垂直方向的数据存入计算机，用以获得样品表面的形貌图。

本发明提供的这种轻敲模式的扫描探针显微镜，克服了传统的接触模式扫描探针显微镜中，针尖被简单的拖拉跨过样品而受到相关联的摩擦力、粘着力、静电力等影响，而且，有效的克服了在扫描过程中，针尖划伤样品的弊病，非常适合检测有生命的生物样品。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，依据本发明的原理，还可以作出若干变型和改进，但是，这些均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.扫描探针显微镜，包括激光发射器、微悬臂、振荡装置、扫描管以及光斑位置检测器，所述微悬臂一端设置有探针，另一端与振荡装置相连，所述振荡装置包括压电陶瓷晶体和控制该压电陶瓷晶体振荡频率和振幅的振荡频率控制器，所述微悬臂固定在压电陶瓷晶体上，其特征在于：所述扫描探针显微镜还包括两个反射镜，分别设置于激光发射器和微悬臂以及微悬臂与光斑位置检测器之间。

2.如权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于：所述扫描管竖直设置于微悬臂的下方，待检物品置于扫描管的上表面，微悬臂前端的探针位于样品表面上方。

3.如权利要求2所述的扫描探针显微镜，其特征在于：所述扫描管的外表面等分为四份，其中两份分别为正X和负X电极，另两份分别为正Y和负Y电极。

Images