CN102721833A

CN102721833A - 一种显微监控型可选区原子力显微成像方法及装置

Info

Publication number: CN102721833A
Application number: CN2012101921546A
Authority: CN
Inventors: 章海军; 丑若帆; 张冬仙; 刘明月
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2012-10-10

Abstract

本发明公开了一种显微监控型可选区原子力显微成像方法及装置。采用将光学显微监控与原子力显微镜（AFM）显微成像相结合以及将AFM扫描器与二维步进微动台相结合的方法，实现AFM扫描区域的显微监控及可选区AFM成像。它具有由激光器、半透半反棱镜、微探针、位置敏感元件、样品、样品台、扫描器、显微物镜、CCD、二维步进微动台等组成的AFM探头，以及由前置放大器、XY扫描与Z反馈控制单元、XYZ高压放大模块、步进控制模块、视频采集模块、计算机及硬件接口等组成的AFM成像与控制系统。本发明的优点是：实现微纳米样品扫描区域的实时监控与选区，可监控光路的调节与对准以及样品与微探针的逼近过程，克服了常规AFM技术在这些方面的随机性、盲目性和局限性。

Description

一种显微监控型可选区原子力显微成像方法及装置

技术领域

本发明涉及一种显微监控型可选区原子力显微成像方法及装置。

背景技术

微纳米技术是国际上近年来飞速发展的高新技术领域，美、欧、日等发达国家及我国都将微纳米技术列入二十一世纪国家科技发展战略中优先发展的前沿技术领域。以扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）等为代表的扫描探针显微镜（SPM）家族，是微纳米技术领域中应用十分广泛的微纳米检测技术及仪器，是微纳米技术发展的重要基础之一。其中，AFM不受微纳米样品的导电性（导体、半导体与绝缘体）、磁性（磁体与非磁体）及物质态（固态、胶体与液态）等的限制，因而在微纳米技术及其分支学科中的研究及应用更为广泛，对科学技术特别是微纳米技术的发展起到了重要的推动作用。

需要指出，国内外大多数AFM技术及仪器（以下也称常规型或普通型AFM），虽然其扫描检测精度可以达到纳米量级，但也存在操作复杂、维护要求严苛、扫描区域的选择存在随机性与盲目性、显微成像性能存在局限性等缺点。例如，由于AFM的微悬臂尺寸很小，总长度一般为100μm或200μm，而微悬臂的尖端部尺寸一般在微米量级，如果没有显微监控，很难将直径在微米量级的激光光斑与微悬臂尖端部对准，而激光光斑的聚焦与对准等调节质量的好坏，直接影响到AFM扫描成像质量；同样，在没有显微监控的情况下，AFM只能随机地用微悬臂（微探针）对与微探针正对的样品表面区域进行扫描成像，因而存在随机性和盲目性；此外，也无法对自己感兴趣的样品表面区域进行选区和AFM扫描成像。因此，需要在AFM的原理、方法和技术性能上进一步发展和创新。

将光学显微监控与原子力显微镜（AFM）显微成像相结合的方法，以及将AFM扫描器与二维步进微动台相结合的方法，实现微纳米样品扫描区域的实时监控与选区，并可对激光束与AFM微悬臂（与微探针集成在一起）的调节与对准过程进行监控，同时，有效地监控样品与AFM微悬臂（微探针）的微纳米逼近过程，克服了常规AFM在这些方面的随机性、盲目性和局限性，为实现样品的显微监控、可选区（微米至厘米级视场内任选区域）、大范围（微米级扫描范围及相邻扫描图像拼接）、高分辨率（纳米量级）的原子力显微成像提供了新的技术方法。

发明内容

本发明的目的是克服常规AFM在样品扫描区域监控与选区、光斑与微悬臂对准、样品与微探针逼近过程监控等方面存在的随机性、盲目性和局限性，提供一种显微监控型可选区原子力显微成像方法及装置。

显微监控型可选区原子力显微成像方法：采用将光学显微监控与原子力显微镜显微成像相结合的方法，以及将原子力显微镜扫描器与二维步进微动台相结合的方法，引入半透半反棱镜、光学显微物镜与CCD，对样品的原子力显微镜扫描区域进行实时显微监控；同时，对激光束在原子力显微镜微探针上照射光斑的调节与对准过程进行监控，从而有效提高原子力显微镜的操作性能与扫描成像质量；此外，对样品与原子力显微镜微探针的微纳米逼近过程进行监控，从而提高微纳米逼近操作的效率和可靠性；引入二维步进微动台，在显微监控下，对感兴趣的样品表面区域进行选区，并配合原子力显微镜扫描器实现样品表面任意区域的原子力显微成像；在此基础上，进一步实现样品的显微监控、从微米至厘米级视场内任选区域，从微米级扫描范围及相邻扫描图像拼接得到大范围、纳米量级高分辨率的原子力显微镜成像。

显微监控型可选区原子力显微成像装置包括显微监控型可选区AFM探头、前置放大器、XY扫描与Z反馈控制单元、XYZ高压放大模块、步进控制模块、视频采集模块、计算机及硬件接口；前置放大器与激光器及位置敏感元件连接，同时与XY扫描与Z反馈控制单元连接，XY扫描与Z反馈控制单元与XYZ高压放大模块及计算机及硬件接口连接，步进控制模块两端分别与步进电机、计算机及硬件接口连接，视频采集模块两端分别与CCD、计算机及硬件接口连接。

所述的显微监控型可选区AFM探头包括激光器、垂直调节螺杆、水平调节螺杆、半透半反棱镜、微探针、固定螺钉、安装块、位置敏感元件、样品、样品台、扫描器、显微物镜、接筒、镜筒、CCD、装配座、监控孔、垫板、二维步进微动台、丝杠机构、步进电机、粗调旋钮、细调旋钮、导轨、导轨座、立柱、横梁、楔块、加强筋、底座；激光器由垂直调节螺杆与水平调节螺杆调节并固定在安装块上，位置敏感元件由固定螺钉固定在安装块上，安装块与装配座固定在一起，半透半反棱镜胶粘固定在装配座下端，装配座中央开有监控孔，装配座安装在导轨上，通过调节粗调旋钮与细调旋钮垂直上下运动，显微物镜、接筒、镜筒、CCD顺次相连接、接筒固定在横梁上，横梁通过楔块固定在立柱上，立柱通过加强筋安装在底座上，样品（16）安装在扫描器的样品台上，扫描器通过垫板安装在二维步进微动台上，二维步进微动台安装在底座上。

本发明的优点与创新之处是：可有效地实现微纳米样品扫描区域的实时监控与选区，并可对激光束与AFM微悬臂的调节与对准过程进行监控，同时，能够有效地监控样品与AFM微悬臂（微探针）的微纳米逼近过程，克服了常规AFM技术在这些方面的随机性、盲目性和局限性，为实现样品的显微监控、可选区（微米至厘米级视场内任选区域）、大范围（微米级扫描范围及相邻扫描图像拼接）、高分辨率（纳米量级）的原子力显微成像提供了新的技术方法。

附图说明

图1是显微监控型可选区原子力显微成像装置结构示意图；

图2是本发明的显微监控型可选区AFM探头示意图；

图中：AFM探头1、前置放大器2、XY扫描与Z反馈控制单元3、XYZ高压放大模块4、步进控制模块5、视频采集模块6、计算机及硬件接口7；包括激光器8、垂直调节螺杆9、水平调节螺杆10、半透半反棱镜11、微探针12、固定螺钉13、安装块14、位置敏感元件15、样品16、样品台17、扫描器18、显微物镜19、接筒20、镜筒21、CCD22、装配座23、监控孔24、垫板25、二维步进微动台26、丝杠机构27、步进电机28、粗调旋钮29、细调旋钮30、导轨31、导轨座32、立柱33、横梁34、楔块35、加强筋36、底座37。

具体实施方式

如图1所示，显微监控型可选区原子力显微成像装置包括显微监控型可选区AFM探头1、前置放大器2、XY扫描与Z反馈控制单元3、XYZ高压放大模块4、步进控制模块5、视频采集模块6、计算机及硬件接口7；前置放大器2与激光器8及位置敏感元件15连接，同时与XY扫描与Z反馈控制单元3连接，XY扫描与Z反馈控制单元3与XYZ高压放大模块4及计算机及硬件接口7连接，步进控制模块5两端分别与步进电机28、计算机及硬件接口7连接，视频采集模块6两端分别与CCD22、计算机及硬件接口7连接。

如图2所示，所述的显微监控型可选区AFM探头1包括激光器8、垂直调节螺杆9、水平调节螺杆10、半透半反棱镜11、微探针12、固定螺钉13、安装块14、位置敏感元件15、样品16、样品台17、扫描器18、显微物镜19、接筒20、镜筒21、CCD22、装配座23、监控孔24、垫板25、二维步进微动台26、丝杠机构27、步进电机28、粗调旋钮29、细调旋钮30、导轨31、导轨座32、立柱33、横梁34、楔块35、加强筋36、底座37；激光器8由垂直调节螺杆9与水平调节螺杆10调节并固定在安装块14上，位置敏感元件15由固定螺钉13固定在安装块14上，安装块14与装配座23固定在一起，半透半反棱镜11胶粘固定在装配座23下端，装配座23中央开有监控孔24，装配座23安装在导轨31上，通过调节粗调旋钮29与细调旋钮30垂直上下运动，显微物镜19、接筒20、镜筒21、CCD22顺次相连接、接筒20固定在横梁34上，横梁34通过楔块35固定在立柱33上，立柱通过加强筋36安装在底座37上，样品16安装在扫描器18的样品台17上，扫描器18通过垫板25安装在二维步进微动台26上，二维步进微动台26安装在底座37上。

显微监控型可选区AFM探头，引入半透半反棱镜、显微物镜与CCD等，对样品的AFM扫描区域进行实时显微监控，显微监控的视频图像，通过视频采集模块，输入到计算机，并在显示器上显示出来。与此同时，引入二维步进微动控制系统，在步进电机的控制下，通过丝杠机构带动二维步进微动台作二维移动，同时带动扫描器和样品在XY平面内二维移动，从而在显微监控下对感兴趣的样品表面区域进行选区，并配合AFM扫描器实现样品表面任意区域的原子力显微成像。本发明的显微监控型可选区原子力显微成像方法及装置，克服了常规AFM技术在样品扫描区域的监控与选区、激光束与微探针的调节与对准、样品与AFM微探针的微纳米逼近等方面存在的随机性、盲目性和局限性，有效提高了AFM的显微成像性能，并提高了AFM的图像扫描质量、扫描区域、扫描范围及操作效率等，为实现样品的显微监控、可选区（微米至厘米级视场内任选区域）、大范围（微米级扫描范围及相邻扫描图像拼接）、高分辨率（纳米量级）的原子力显微成像提供了新的技术方法。

Claims

1.一种显微监控型可选区原子力显微成像方法，其特征在于采用将光学显微监控与原子力显微镜显微成像相结合的方法，以及将原子力显微镜扫描器与二维步进微动台相结合的方法，引入半透半反棱镜、光学显微物镜与CCD，对样品的原子力显微镜扫描区域进行实时显微监控；同时，对激光束在原子力显微镜微探针上照射光斑的调节与对准过程进行监控，从而有效提高原子力显微镜的操作性能与扫描成像质量；此外，对样品与原子力显微镜微探针的微纳米逼近过程进行监控，从而提高微纳米逼近操作的效率和可靠性；引入二维步进微动台，在显微监控下，对感兴趣的样品表面区域进行选区，并配合原子力显微镜扫描器实现样品表面任意区域的原子力显微成像；在此基础上，进一步实现样品的显微监控、从微米至厘米级视场内任选区域，从微米级扫描范围及相邻扫描图像拼接得到大范围、纳米量级高分辨率的原子力显微镜成像。

2.一种显微监控型可选区原子力显微成像装置，其特征在于包括显微监控型可选区AFM探头（1）、前置放大器（2）、XY扫描与Z反馈控制单元（3）、XYZ高压放大模块（4）、步进控制模块（5）、视频采集模块（6）、计算机及硬件接口（7）；前置放大器（2）与激光器（8）及位置敏感元件（15）连接，同时与XY扫描与Z反馈控制单元（3）连接，XY扫描与Z反馈控制单元（3）与XYZ高压放大模块（4）及计算机及硬件接口（7）连接，步进控制模块（5）两端分别与步进电机（28）、计算机及硬件接口（7）连接，视频采集模块（6）两端分别与CCD（22）、计算机及硬件接口（7）连接。

3.根据权利要求2所述的一种显微监控型可选区原子力显微成像装置，其特征在于所述的显微监控型可选区AFM探头（1）包括激光器（8）、垂直调节螺杆（9）、水平调节螺杆（10）、半透半反棱镜（11）、微探针（12）、固定螺钉（13）、安装块（14）、位置敏感元件（15）、样品（16）、样品台（17）、扫描器（18）、显微物镜（19）、接筒（20）、镜筒（21）、CCD（22）、装配座（23）、监控孔（24）、垫板（25）、二维步进微动台（26）、丝杠机构（27）、步进电机（28）、粗调旋钮（29）、细调旋钮（30）、导轨（31）、导轨座（32）、立柱（33）、横梁（34）、楔块（35）、加强筋（36）、底座（37）；激光器（8）由垂直调节螺杆（9）与水平调节螺杆（10）调节并固定在安装块（14）上，位置敏感元件（15）由固定螺钉（13）固定在安装块（14）上，安装块（14）与装配座（23）固定在一起，半透半反棱镜（11）胶粘固定在装配座（23）下端，装配座（23）中央开有监控孔（24），装配座（23）安装在导轨（31）上，通过调节粗调旋钮（29）与细调旋钮（30）垂直上下运动，显微物镜（19）、接筒（20）、镜筒（21）、CCD（22）顺次相连接、接筒（20）固定在横梁（34）上，横梁（34）通过楔块（35）固定在立柱（33）上，立柱通过加强筋（36）安装在底座（37）上，样品（16）安装在扫描器（18）的样品台（17）上，扫描器（18）通过垫板（25）安装在二维步进微动台（26）上，二维步进微动台（26）安装在底座（37）上。