CN101592583A

CN101592583A - 一种适用于轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系统

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Publication number: CN101592583A
Application number: CNA2009100877667A
Authority: CN
Inventors: 李英姿; 钱建强; 李渊; 华宝成; 杨勇
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2029-06-26
Also published as: CN101592583B

Abstract

本发明公开了一种适用于轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系统，其是在传统的轻敲模式原子力显微镜中增加了函数发生器、低通滤波器和锁相放大器，函数发生器连接在AFM探针激励器的激励信号输入端上，锁相放大器连接在光电四象限接收器与AFM控制器之间，在函数发生器与锁相放大器之间串联有低通滤波器。本发明谐波激励成像系统是一种在轻敲模式下使用谐波的叠加信号作为激励源，使用锁相放大器得到探针运动的高次谐波分量，并使用这些高次谐波分量的振幅和相位来获得更多信息和更高分辨率的成像技术。

Description

一种适用于轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系统

技术领域

本发明涉及一种成像系统，更特别地说，是指一种适用于轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系统。

背景技术

原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)是一种利用原子、分子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的仪器。原子力显微镜有一根纳米级的探针被固定在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上，当探针很靠近样品时，其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置。根据扫描样品时探针的偏离量或振动频率重建三维图像，就能间接获得样品表面的形貌或成分信息。

传统的轻敲模式原子力显微镜的成像系统如图2所示，图中，AFM探针激励器接收AFM控制器输出的单一频率的正弦型信号V′₀(如图2A所示)，而该正弦型信号V′₀的激励频率通常选择为探针(AFM探针激励器的一部分)的第一个共振频率f₁附近。探针的振幅信号作为反馈控制信号V′₂，在扫描成像过程中用来控制探针与样品的距离恒定。探针振幅信号与激励信号间的相位差被记录下来形成相位衬度像，用来反映样品各处的成份差异。

但是，大量的研究表明，相位衬度像只能反映探针与样品之间的非保守力相互作用，无法反映样品各区域保守力相互作用的差别。另外，相位衬度像在小振幅非接触成像条件下无法反映样品各区域的成份差异。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系统，该成像系统是在现有的AFM探针激励器的激励信号输入端上连接一函数发生器，并在函数发生器与AFM控制器之间增加了低通滤波器和锁相放大器，并且锁相放大器利用基频信号V₁对接收到的检测控制信号V₂进行解调。本发明的成像系统在保留基本的相位成像模式的功能的同时，可以对探针高次振动模式的振幅和相位变化进行成像。这些高次振幅衬度像和高次相位衬度像可以更灵敏的反映样品成份差异，并且可以在非接触模式下区分样品各部分的成像差异。

在本发明中的函数发生器依据波-成像模型

y = a_{1} \cos (\frac{f_{1} t}{2 π}) + a_{2} \cos (\frac{y_{2} f_{1} t}{2 π}) + \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot + a_{i} \cos (\frac{y_{i} f_{1} t}{2 π})

产生多种频率成分的非正弦谐波信号V₀。

在本发明中低通滤波器用于对接收的非正弦谐波信号V₀进行滤除频率高于第一个共振频率f₁的信号分量，从而得到基频信号V₁。

在本发明中锁相放大器利用基频信号V₁对接收到的检测控制信号V₂进行解调放大处理后分别输出探针振幅V₃、探针相位V₄。

本发明的一种适用于轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系统优点在于：

(1)通过在AFM探针激励器的激励端接入函数发生器可以使探针同时在多个共振频率下振动，提高了AFM对样品分析的灵敏度。

(2)通过在AFM控制器与光电四象限接收器之间接入锁相放大器，该锁相放大器利用基频信号V₁对接收到的检测控制信号V₂进行解调放大处理后分别输出探针振幅V₃和探针相位V₄。该探针振幅V₃和探针相位V₄增加了AFM的样品成份成像功能。

(3)函数发生器产生的激励信号为非正弦型周期函数。

(4)本发明的谐波激励成像系统可以同时检测探针的两个振动频率的振幅和相位，从而实现了样品局域成份的成像。而传统原子力显微镜成像系统中探针仅能工作在一个固有频率的振幅和相位下，影响了成像的质量。

(5)本发明的谐波激励成像系统可以同时工作于非接触模式和半接触模式，而原子力显微镜成像系统只能工作于半接触模式。

附图说明

图1是本发明的适用于轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系统的结构图。

图2是传统轻敲模式原子力显微镜的成像系统的结构图。

图2(A)是传统轻敲模式原子力显微镜的激励频率与输出振幅的关系图。

图3是本发明的谐波激励成像系统中谐波激励频率与输出振幅的关系图。

图4是一幅典型的利用谐波激励成像系统得到的扫描图像。

具体实施方式

本发明是一种适用于轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系统，是一种在轻敲模式下使用谐波的叠加信号作为激励源，使用锁相放大器得到探针运动的高次谐波分量，并使用这些高次谐波分量的振幅和相位来获得更多信息和更高分辨率的成像技术。

参见图1所示，本发明的一种适用于轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系统，是在现有(传统)的轻敲模式原子力显微镜上通过增加器件来实现新的功能，即本发明的成像系统在保留基本的相位成像模式的功能的同时，可以对探针高次振动模式的振幅和相位变化进行成像。而这些高次振幅衬度像和高次相位衬度像可以更灵敏的反映样品成份差异，并且可以在非接触模式下区分样品各部分的成像差异。为了实现对样品台上的样品成像，传统的轻敲模式原子力显微镜至少应该包括有激光器、光电四象限接收器、AFM探针激励器、AFM控制器、扫描器和样品台。

本发明是在传统的轻敲模式原子力显微镜中增加了函数发生器、低通滤波器和锁相放大器三个器件设备，函数发生器连接在AFM探针激励器的激励信号输入端上，锁相放大器连接在光电四象限接收器与AFM控制器之间，在函数发生器与锁相放大器之间串联有低通滤波器。

本发明的一种适用于轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系统，其信号的连接方式为：

(1)函数发生器输出的非正弦谐波信号V₀分别作用到低通滤波器和AFM探针激励器上；

(2)低通滤波器对接收的非正弦谐波信号V₀进行滤除频率高于第一个共振频率f₁的信号分量，从而得到基频信号V₁输出给锁相放大器；

(3)AFM探针激励器中的探针在非正弦谐波信号V₀下进行振动，激光器产生的光束聚焦到AFM探针激励器的悬臂顶端，反射的激光束被光电四象限接收器接收并输出检测控制信号V₂给锁相放大器；

(4)锁相放大器利用基频信号V₁对接收到的检测控制信号V₂进行解调放大处理后分别输出探针振幅V₃和探针相位V₄给AFM控制器；

(5)AFM控制器根据探针振幅V₃和探针相位V₄来输出启动指令给扫描器进行样品的三维成像。

本发明的一种适用于轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系统，增加的各器件实现的功能如下所述：

(一)函数发生器

所述函数发生器依据波-成像模型

y = a_{1} \cos (\frac{f_{1} t}{2 π}) + a_{2} \cos (\frac{y_{2} f_{1} t}{2 π}) + \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot + a_{i} \cos (\frac{y_{i} f_{1} t}{2 π})

产生多种频率成分的谐波激励信号V₀(简称为非正弦谐波信号V₀)。

在波-成像模型

y = a_{1} \cos (\frac{f_{1} t}{2 π}) + a_{2} \cos (\frac{y_{2} f_{1} t}{2 π}) + \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot + a_{i} \cos (\frac{y_{i} f_{1} t}{2 π})

中各字母的物理意义为：a₁表示非正弦谐波信号V₀中的第一个频率分量的振幅，a₂表示非正弦谐波信号V₀中的第二个频率分量的振幅，a_i表示非正弦谐波信号V₀中的第i个频率分量的振幅，f₁表示第一个共振频率，t表示探测时间，y₂表示最接近于第二个谐波指数

Y_{2} = \frac{f_{2}}{f_{1}}

的整数，f₂表示第二个共振频率，y_i表示最接近于任意一个谐波指数

Y_{i} = \frac{f_{i}}{f_{1}}

的整数。

在本发明中，函数发生器选取安捷伦33250A型函数发生器。

(二)低通滤波器

所述低通滤波器用于对接收的非正弦谐波信号V₀进行滤除频率高于第一个共振频率f₁的信号分量，从而得到基频信号V₁。

在本发明中，低通滤波器选取截止频率特性为第一个共振频率f₁至第二个共振频率f₂之间的任意一个频率f_p。

(三)锁相放大器

在本发明中，锁相放大器工作于谐波检测方式。在该谐波检测方式条件下，解调频率设定为F_i＝y_if₁，y_i表示最接近于任意一个谐波指数

Y_{i} = \frac{f_{i}}{f_{1}}

的整数，f_i表示探针的第i个共振频率。

所述锁相放大器利用基频信号V₁对接收到的检测控制信号V₂进行解调放大处理后分别输出探针振幅V₃、探针相位V₄。

所述的探针振幅V₃是指激励探针运动在解调频率F_i下的振幅，简称探针振幅。

所述的探针相位V₄是指在同一解调频率F_i下检测控制信号V₂的相位，简称探针相位。

在本发明中，锁相放大器选取Stanford SR-840锁相放大器。

在本发明中，安装有函数发生器、低通滤波器和锁相放大器的轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系统，该谐波激励成像系统的成像过程为：

成像过程一：初始化，获取AFM探针激励器的共振频率F＝(f₁，f₂，……，f_i)；并利用共振频率F＝(f₁，f₂，……，f_i)与谐波指数关系

Y_{i} = \frac{f_{i}}{f_{1}},

(i＝2，3，4，……)得到不同共振频率下的整数谐波指数y_i；

其中，第一个共振频率记为f₁，第二个共振频率记为f₂，……，第i个共振频率记为f_i，f_i也称为任意一个共振频率。

通常第一个谐波指数为

第二个谐波指数为

……、第i个谐波指数为但这些谐波指数都不是一个整数。因此，在本发明中，将最接近于任意谐波指数

Y_{i} = \frac{f_{i}}{f_{1}},

(i＝2，3，4，……)的整数记为y_i，y_i也称为Y_i的整数谐波指数。

成像过程二：函数发生器依据波-成像模型

y = a_{1} \cos (\frac{f_{1} t}{2 π}) + a_{2} \cos (\frac{y_{2} f_{1} t}{2 π}) + \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot + a_{i} \cos (\frac{y_{i} f_{1} t}{2 π})

产生非正弦谐波信号V₀分别输出给低通滤波器和AFM探针激励器；

成像过程三：AFM探针激励器在非正弦谐波信号V₀条件下振动，激光器产生的光束聚焦到AFM探针激励器的悬臂顶端，反射的激光束被光电四象限接收器接收，从而光电四象限接收器输出检测控制信号V₂；

成像过程四：所述低通滤波器用于对接收的非正弦谐波信号V₀进行滤除频率高于第一个共振频率f₁的信号分量，从而得到基频信号V₁；

成像过程五：首先设定锁相放大器工作于谐波检测方式，在该谐波检测方式条件下，解调频率设定为F_i＝y_if₁；然后锁相放大器利用基频信号V₁对接收到的检测控制信号V₂进行解调放大处理后分别输出探针振幅V₃、探针相位V₄；

成像过程六：AFM控制器在探针振幅V₃、探针相位V₄的控制下启动扫描器进行扫描成像。

图4是一幅典型的利用谐波激励成像系统得到的扫描图像。样品为单晶硅片上生长的tetrathiafulvalene孤岛，tetrathiafulvalene的分子式为(H₂C₂S₂C₂)₂，孤岛的高度为4个纳米。应用本发明的轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系统进行成像扫描，在扫描过程中AFM探针激励器的前两个共振频率分别为173kHz和503kHz，整数谐波指数分别为1和3。函数发生器依据波-成像模型

y = \cos (\frac{f_{1} t}{2 π}) + 0.1 \cos (\frac{y_{2} f_{1} t}{2 π})

产生非正弦谐波信号V₀分别输出给低通滤波器和AFM探针激励器，AFM探针激励器在非正弦谐波信号V₀条件下振动，激光器产生的光束聚焦到AFM探针激励器的悬臂顶端，反射的激光束被光电四象限接收器接收，从而光电四象限接收器输出检测控制信号V₂；锁相放大器利用基频信号V₁对接收到的检测控制信号V₂进行解调放大处理后分别输出探针振幅V₃和探针相位V₄。记录探针相位V₄形成扫描图像。从图4的扫描图象中可以清晰地看到tetrathiafulvalene孤岛的颜色较浅，单晶硅片的颜色较深，从而较为清楚地分辨出了样品中的硅与tetrathiafulvalene成分。

Claims

1、一种适用于轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系统，其特征在于：是在传统的轻敲模式原子力显微镜中增加了函数发生器、低通滤波器和锁相放大器，函数发生器连接在AFM探针激励器的激励信号输入端上，锁相放大器连接在光电四象限接收器与AFM控制器之间，在函数发生器与锁相放大器之间串联有低通滤波器；

所述的函数发生器输出的非正弦谐波信号V₀分别作用到低通滤波器和AFM探针激励器上；

所述的低通滤波器对接收的非正弦谐波信号V₀进行滤除频率高于第一个共振频率f₁的信号分量，从而得到基频信号V₁输出给锁相放大器；

所述的AFM探针激励器中的探针在非正弦谐波信号V₀下进行振动，激光器产生的光束聚焦到AFM探针激励器的悬臂顶端，反射的激光束被光电四象限接收器接收并输出检测控制信号V₂给锁相放大器；

所述的锁相放大器利用基频信号V₁对接收到的检测控制信号V₂进行解调放大处理后分别输出探针振幅V₃和探针相位V₄给AFM控制器；

所述的AFM控制器根据探针振幅V₃和探针相位V₄来输出启动指令给扫描器进行样品的三维成像。

2、根据权利要求1所述的适用于轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系统，其特征在于：函数发生器依据波-成像模型

y = a_{1} \cos (\frac{f_{1} t}{2 π}) + a_{2} \cos (\frac{y_{2} f_{1} t}{2 π}) + . . . . . . + a_{i} \cos (\frac{y_{i} f_{1} t}{2 π})

产生多种频率成分的非正弦谐波信号V₀，在波-成像模型中各字母的物理意义为a₁表示非正弦谐波信号V₀中的第一个频率分量的振幅，a₂表示非正弦谐波信号V₀中的第二个频率分量的振幅，a_i表示非正弦谐波信号V₀中的第i个频率分量的振幅，f₁表示第一个共振频率，t表示探测时间，y₂表示最接近于第二个谐波指数

Y_{2} = \frac{f_{2}}{f_{1}}

Y_{i} = \frac{f_{i}}{f_{1}}

的整数。

3、根据权利要求1所述的适用于轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系统，其特征在于：锁相放大器工作于谐波检测方式，在该谐波检测方式条件下，解调频率设定为F_i＝y_if₁，y_i表示最接近于任意一个谐波指数

Y_{i} = \frac{f_{i}}{f_{1}}

的整数，f_i表示探针的第i个共振频率。