CN103412150B - 双探针原子力显微镜及采用该显微镜实现纳米结构操作的方法 - Google Patents
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Abstract
双探针原子力显微镜及采用该显微镜实现纳米结构操作的方法，涉及纳米操作和组装的光机电一体化技术，尤其涉及实现纳米结构或纳米器件三维操作和组装的光机电一体化技术。它为了解决传统的原子力显微镜不能实现纳米结构的三维摄取和释放的问题。本发明通过上位机和双路探针控制器对两个纳米定位台和三个微米定位台移动，进而带动两个探针手臂和样品台移动。本发明能够实现纳米结构的夹持、三维摄取和释放操作，双路探针控制器能够实现两个探针手臂在Z方向位置的精确控制，确保了夹持、摄取和释放过程的稳定性。本发明适用于纳米制造、测试、特性表征以及生物领域。
Description
技术领域
本发明涉及纳米结构或纳米器件三维操作技术领域。
背景技术
纳米操作和组装是实现纳米结构和纳米器件制造的重要手段，如何实现纳米颗粒、纳米线、纳米管，以及其它纳米结构的三维摄取、搬移和组装，以及特性测试，是纳米结构和纳米器件制造的关键。传统的原子力显微镜(AFM)仅仅具有一个探针，主要功能是实现原子到纳米精度的扫描成像，也可实现二维平面内纳米材料的操作，但是不能实现纳米材料的三维操作，也就是不能实现诸如纳米颗粒、纳米线、纳米管，以及其它纳米结构的三维摄取、搬移，以及在不同高度差的平面内释放，不能实现纳米结构或纳米器件的三维操作。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统的原子力显微镜(AFM)不能实现纳米结构的三维摄取和释放的问题，提供一种双探针原子力显微镜及采用该显微镜实现纳米结构操作的方法。
本发明所述的双探针原子力显微镜包括光学显微镜1和上位机20，它还包括第一激光力学子系统、第二激光力学子系统、第一探针手臂18、第二探针手臂11、第二XYZ微米定位台12、第二XYZ纳米定位台13、XY微米定位台14、第一XYZ纳米定位台15、样品台16和第一XYZ微米定位台17、双路探针控制器23、采集卡19、两个压电控制器21和两个切换器22；
所述第一激光力学子系统用于探测第一探针手臂18的力信号或谐振信号，第二激光力学子系统用于探测第二探针手臂11的力信号或谐振信号，所述第一激光力学子系统与第二激光力学子系统的结构相同，所述第一激光力学子系统包括用于调节激光角度的激光角度调整机构2、激光器3、四象限位置检测器5、用于调节四象限位置检测器5的位置的四象限位置检测器二维调整微平台4、反射激光凸透镜7、用于调节反射激光凸透镜7沿激光传播方向的位置的反射凸透镜一维调整微平台6、入射光凸透镜10、用于调节入射光凸透镜10沿激光传播方向的位置的入射凸透镜一维调整微平台8和反射镜9；
所述XY微米定位台14固定在光学显微镜1的底座上，所述底座为平板结构，XY平面与光学显微镜1的底座平行，第一XYZ纳米定位台15固定在XY微米定位台14上，样品台16固定在第一XYZ纳米定位台15上，第一探针手臂18固定在所述第一XYZ微米定位台17上，第二XYZ纳米定位台13固定在所述第二XYZ微米定位台12上，第二探针手臂11固定在所述第二XYZ纳米定位台13上，所述第一探针手臂18和第二探针手臂11的针尖相对、且均朝向样品台16；
第一激光力学子系统中，激光器3固定在激光角度调整机构2上，四象限位置检测器5固定在四象限位置检测器二维调整微平台4上，入射光凸透镜10固定在入射凸透镜一维调整微平台8上，反射激光凸透镜7固定在反射凸透镜一维调整微平台6上，激光器3发出的激光经过入射光凸透镜10后聚焦在第一探针手臂18的针尖上，经所述针尖反射后的激光入射至反射镜9的表面，经反射镜9反射后的激光入射至反射激光凸透镜7，经过反射激光凸透镜7后聚焦在四象限位置检测器5的探测面上；第二激光力学子系统的激光器3发出的激光经过入射光凸透镜10后聚焦在第二探针手臂11的针尖上，经针尖反射后的激光入射至反射镜9的表面，经反射镜9反射后的激光入射至反射激光凸透镜7，经过反射激光凸透镜7后聚焦在四象限位置检测器5的探测面上；
上位机20的第一XYZ微米控制信号输出端连接第一XYZ微米定位台17的控制信号输入端，上位机20的第二XYZ微米控制信号输出端连接第二XYZ微米定位台12的控制信号输入端，上位机20的XY微米控制信号输出端连接XY微米定位台14的控制信号输入端，上位机20的第一XY纳米控制信号输出端通过一个压电控制器21连接第一XYZ纳米定位台15的XY控制信号输入端，上位机20的第二XY纳米控制信号输出端通过另一个压电控制器21连接第二XYZ纳米定位台13的XY控制信号输入端，上位机20的第一Z纳米控制信号输出端和双路探针控制器23的第一Z纳米控制信号输出端分别连接一个切换器22的两个信号输入端，该切换器22的信号输出端通过一个压电控制器21连接第一XYZ纳米定位台15的Z控制信号输入端，上位机20的第二Z纳米控制信号输出端和双路探针控制器23的第二Z纳米控制信号输出端分别连接另一个切换器22的两个信号输入端，该切换器22的信号输出端通过另一个压电控制器21连接第二XYZ纳米定位台13的Z控制信号输入端，第一激光力学子系统的四象限位置检测器5的振动控制信号输出端连接第一探针手臂18的振动控制信号输入端，该四象限位置检测器5的法向检测信号输出端同时连接双路探针控制器23的第一法向检测信号输入端和采集卡19的第一法向检测信号输入端，该四象限位置检测器5的侧向检测信号输出端和总检测信号输出端分别连接采集卡19的第一侧向检测信号输入端和第一总检测信号输入端，第二激光力学子系统的四象限位置检测器5的振动控制信号输出端连接第二探针手臂11的振动控制信号输入端，该四象限位置检测器5的法向检测信号输出端同时连接双路探针控制器23的第二法向检测信号输入端和采集卡19的第二法向检测信号输入端，该四象限位置检测器5的侧向检测信号输出端和总检测信号输出端分别连接采集卡19的第二侧向检测信号输入端和第二总检测信号输入端，采集卡19的信号输出端连接上位机20的采集卡信号输入端。
本发明所述的双探针原子力显微镜的双路探针控制器23采用OC4-Dual探针动态控制器实现。
本发明所述的双探针原子力显微镜的第一激光力学子系统中，激光器3发出的激光、经第一探针手臂18的针尖反射后的激光以及经反射镜9反射后的激光在同一平面内，所述平面为S1面；第二激光力学子系统中，激光器3发出的激光、经第一探针手臂18的针尖反射后的激光以及经反射镜9反射后的激光在同一平面内，所述平面为S2面。
所述的S1面与S2面重合。
采用上述双探针原子力显微镜实现纳米结构操作的方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、将待操作的纳米样品固定在样品台16上；
步骤二、上位机20在接收到用户输入的XY微米控制信号后，发送该控制信号给XY微米定位台14，XY微米定位台14带动纳米样品移动，直到该纳米样品移动到需要操作的区域位于显微镜的视场中心；
步骤三、上位机20将用户输入的第一组粗对准控制信号发送给第一XYZ微米定位台17，所述第一组粗对准控制信号包括XY平面粗对准控制信号和Z方向控制信号，第一XYZ微米定位台17带动第一探针手臂18在X、Y和Z方向移动，直至所述第一探针手臂18的前端位于纳米样品需要操作的区域的正上方；
步骤四、采用与步骤三相同的方式，使第二探针手臂11的前端位于步骤二纳米样品需要操作的区域的正上方，其中第二探针手臂11的Z方向控制信号与步骤三中第一探针手臂18的Z方向控制信号相同；
步骤五、调节第一激光力学子系统和第二激光力学子系统，使得第一激光力学子系统和第二激光力学子系统的激光光斑分别位于第一探针手臂18的前端中心和第二探针手臂11的前端中心；
步骤六、上位机20将用户输入的扫描模式控制信号和Z方向弹回控制信号通过切换器22发送给第一XYZ纳米定位台15，所述扫描模式控制信号为接触模式、轻敲模式或非接触模式，所述第一XYZ纳米定位台15沿Z轴向上移动，当第一XYZ纳米定位台15与第一探针手臂18接触后，第一XYZ纳米定位台15向下移动，直至所述第一探针手臂18与样品台16在竖直方向上的距离为所述Z方向弹回控制信号的值；
步骤七、采用与步骤六相同的方式，使第二探针手臂11与样品台16在竖直方向上的距离为步骤六中第一探针手臂18的Z方向弹回控制信号的值；
步骤八、上位机20通过双路探针控制器23和切换器22将用户输入的接触模式控制信号发送给第一XYZ纳米定位台15，第一XYZ纳米定位台15向上移动直样品台16其与第一探针手臂18接触；
步骤九、启动预扫描过程：
上位机20发送用户输入的预扫描控制信号给第二XYZ纳米定位台13，第二XYZ纳米定位台13沿X、Y和Z方向移动对第一探针手臂18进行扫描；
步骤十、启动图像扫描过程：
上位机20发送用户输入的扫描参数给第二XYZ纳米定位台13，第二XYZ纳米定位台13沿与步骤九中的X、Y和Z方向相反的方向移动；
步骤十一、上位机20发送用户输入的对准控制信号给第二XYZ纳米定位台13，第二XYZ纳米定位台13在X、Y和Z方向移动，直至其与第一XYZ纳米定位台15对准；该步骤完成后，第一探针手臂18与第二探针手臂11形成纳米镊子；
步骤十二、上位机20将用户输入的操作对象信号和操作路径控制信号同时发送给第一XYZ纳米定位台15和第二XYZ纳米定位台13，第一XYZ纳米定位台15和第二XYZ纳米定位台13分别带动第一探针手臂18和第二探针手臂11进行纳米样品的三维摄取、搬移和组装任务；所述操作对象为纳米样品；
所述的纳米样品的三维摄取、搬移和组装任务通过以下步骤完成：
步骤A、第一XYZ纳米定位台15带动样品台16移动，直至纳米样品位于第一探针手臂18与第二探针手臂11针尖的下方；
步骤B、第一XYZ微米定位台17与第二XYZ纳米定位台13分别带动第一探针手臂18与第二探针手臂11朝纳米样品移动，直至第一探针手臂18与第二探针手臂11实现对纳米样品的夹持；
步骤C、第一XYZ纳米定位台15与第二XYZ纳米定位台13分别带动第一探针手臂18与第二探针手臂11按照用户输入的操作路径控制信号移动，完成纳米样品的三维摄取、搬移和组装任务；
步骤D、第一XYZ纳米定位台15与第二XYZ纳米定位台13分别带动第一探针手臂18与第二探针手臂11按照用户输入的操作路径控制信号对称分开；
步骤E、第一XYZ纳米定位台15带动第一探针手臂18按照用户输入的操作路径控制信号移动，使得第一探针手臂18回到步骤十一完成后该第一探针手臂18所在的位置；
步骤十三、上位机20发送用户输入的扫描控制信号给第二XYZ纳米定位台13，第二XYZ纳米定位台13带动第二探针手臂11对纳米样品进行扫描，以验证操作结果；
步骤十四、判断操作结果是否合格，如果合格，结束操作；否则，返回步骤十一；
第二XYZ纳米定位台13与第一XYZ纳米定位台15接收到的控制信号包括X方向控制信号、Y方向控制信号和Z方向控制信号，所述X方向控制信号与Y方向控制信号由上位机20发送，当扫描模式为接触模式时，所述Z方向控制信号由上位机20通过切换器22发送，当扫描模式为轻敲模式或非接触模式时，所述Z方向控制信号由上位机20通过双路探针控制器23和切换器22发送；
图像扫描过程中：双路探针控制器23通过四象限位置检测器5向执行扫描过程的探针手臂发送振动控制信号，探针手臂在振动控制信号的作用下振动，四象限位置检测器5检测到的信号包括法向信号、侧向信号和总信号，四象限位置检测器5将法向信号同时发送至双路探针控制器23和采集卡19、将侧向信号和总信号发送至采集卡19，上位机20或双路探针控制器23对法向信号进行处理并发送Z方向控制信号给第二XYZ纳米定位台13与第一XYZ纳米定位台15。
本发明所述的双探针原子力显微镜具有两套独立控制的纳米定位和力检测系统，用于驱动两个具有突出针尖结构、面对面安装的AFM探针手臂，即第一探针手臂18与第二探针手臂11，通过上位机20与双路探针控制器23的控制，能够实现AFM图像扫描，形成纳米镊子，完成纳米结构的三维摄取和释放。双路探针控制器23与采集卡19采集四象限位置检测器5的检测信号，双路探针控制器23采集的信号带宽能够达到5MHz，使控制更加稳定。
采用上述双探针原子力显微镜实现纳米结构操作的方法通过上位机20和双路探针控制器23控制两个探针手臂在X、Y和Z三个方向移动，实现AFM图像扫描，并基于扫描的图像信息，通过对准两个探针，形成纳米镊子，完成纳米结构的三维摄取和释放，当扫描模式为接触模式时，与双路探针控制器23根据四象限位置检测器5发送的法向信号来控制第一XYZ纳米定位台15或第二XYZ纳米定位台13在Z方向移动，控制更加精确，对纳米结构的三维摄取和释放操作也更加稳定。
附图说明
图1为本发明所述的双探针原子力显微镜的机械部分的结构图；
图2为本发明所述的双探针原子力显微镜的原理图；
图3为本发明所述的双探针原子力显微镜的纳米结构操作方法流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的双探针原子力显微镜包括光学显微镜1和上位机20，它还包括第一激光力学子系统、第二激光力学子系统、第一探针手臂18、第二探针手臂11、第二XYZ微米定位台12、第二XYZ纳米定位台13、XY微米定位台14、第一XYZ纳米定位台15、样品台16和第一XYZ微米定位台17、双路探针控制器23、采集卡19、两个压电控制器21和两个切换器22；
所述第一激光力学子系统用于探测第一探针手臂18的力信号或谐振信号，第二激光力学子系统用于探测第二探针手臂11的力信号或谐振信号，所述第一激光力学子系统与第二激光力学子系统的结构相同，所述第一激光力学子系统包括用于调节激光角度的激光角度调整机构2、激光器3、四象限位置检测器5、用于调节四象限位置检测器5的位置的四象限位置检测器二维调整微平台4、反射激光凸透镜7、用于调节反射激光凸透镜7沿激光传播方向的位置的反射凸透镜一维调整微平台6、入射光凸透镜10、用于调节入射光凸透镜10沿激光传播方向的位置的入射凸透镜一维调整微平台8和反射镜9；
所述XY微米定位台14、第二XYZ微米定位台12和第一XYZ微米定位台17均固定在光学显微镜1的底座上，所述底座为平板结构，XY平面与光学显微镜1的底座平行，第一XYZ纳米定位台15固定在XY微米定位台14上，样品台16固定在第一XYZ纳米定位台15上，第一探针手臂18固定在所述第一XYZ微米定位台17上，第二XYZ纳米定位台13固定在所述第二XYZ微米定位台12上，第二探针手臂11固定在所述第二XYZ纳米定位台13上，所述第一探针手臂18和第二探针手臂11的针尖相对、且均朝向样品台16；
第一激光力学子系统中，激光器3固定在激光角度调整机构2上，四象限位置检测器5固定在四象限位置检测器二维调整微平台4上，入射光凸透镜10固定在入射凸透镜一维调整微平台8上，反射激光凸透镜7固定在反射凸透镜一维调整微平台6上，激光器3发出的激光经过入射光凸透镜10后聚焦在第一探针手臂18的针尖上，经所述针尖反射后的激光入射至反射镜9的表面，经反射镜9反射后的激光入射至反射激光凸透镜7，经过反射激光凸透镜7后聚焦在四象限位置检测器5的探测面上；第二激光力学子系统的激光器3发出的激光经过入射光凸透镜10后聚焦在第二探针手臂11的针尖上，经针尖反射后的激光入射至反射镜9的表面，经反射镜9反射后的激光入射至反射激光凸透镜7，经过反射激光凸透镜7后聚焦在四象限位置检测器5的探测面上；
上位机20的第一XYZ微米控制信号输出端连接第一XYZ微米定位台17的控制信号输入端，上位机20的第二XYZ微米控制信号输出端连接第二XYZ微米定位台12的控制信号输入端，上位机20的XY微米控制信号输出端连接XY微米定位台14的控制信号输入端，上位机20的第一XY纳米控制信号输出端通过一个压电控制器21连接第一XYZ纳米定位台15的XY控制信号输入端，上位机20的第二XY纳米控制信号输出端通过另一个压电控制器21连接第二XYZ纳米定位台13的XY控制信号输入端，上位机20的第一Z纳米控制信号输出端和双路探针控制器23的第一Z纳米控制信号输出端分别连接一个切换器22的两个信号输入端，该切换器22的信号输出端通过一个压电控制器21连接第一XYZ纳米定位台15的Z控制信号输入端，上位机20的第二Z纳米控制信号输出端和双路探针控制器23的第二Z纳米控制信号输出端分别连接另一个切换器22的两个信号输入端，该切换器22的信号输出端通过另一个压电控制器21连接第二XYZ纳米定位台13的Z控制信号输入端，第一激光力学子系统的四象限位置检测器5的振动控制信号输出端连接第一探针手臂18的振动控制信号输入端，该四象限位置检测器5的法向检测信号输出端同时连接双路探针控制器23的第一法向检测信号输入端和采集卡19的第一法向检测信号输入端，该四象限位置检测器5的侧向检测信号输出端和总检测信号输出端分别连接采集卡19的第一侧向检测信号输入端和第一总检测信号输入端，第二激光力学子系统的四象限位置检测器5的振动控制信号输出端连接第二探针手臂11的振动控制信号输入端，该四象限位置检测器5的法向检测信号输出端同时连接双路探针控制器23的第二法向检测信号输入端和采集卡19的第二法向检测信号输入端，该四象限位置检测器5的侧向检测信号输出端和总检测信号输出端分别连接采集卡19的第二侧向检测信号输入端和第二总检测信号输入端，采集卡19的信号输出端连接上位机20的采集卡信号输入端。
本实施方式所述的双探针原子力显微镜具有两套独立控制的纳米定位和力检测系统，用于驱动两个具有突出针尖结构、面对面安装的AFM探针手臂，即第一探针手臂18与第二探针手臂11，通过上位机20与双路探针控制器23对第二XYZ微米定位台12、第二XYZ纳米定位台13、XY微米定位台14、第一XYZ纳米定位台15和第一XYZ微米定位台17的控制，能够实现AFM图像扫描，形成纳米镊子，完成纳米结构的三维摄取和释放。双路探针控制器23采集四象限位置检测器5的法向信号，该法向信号的带宽能够达到5MHz，根据该信号控制第二XYZ纳米定位台13与第一XYZ纳米定位台15在Z方向移动，对第二XYZ纳米定位台13与第一XYZ纳米定位台15在Z方向的位置控制更加精确。此外，两个探针手臂作为功能末端，采用双探针结构能够实现纳米材料、生物组织、细胞以及生物分子的力学和电学性能的原位测量，操作方便，测量精度高。与传统的AFM相比，在纳米制造、测试、特性表征以及生物领域具有更高的可用性和操作性，具有很高的实用价值。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的双探针原子力显微镜的区别在于：所述的双路探针控制器23采用OC4-Dual探针动态控制器实现。
OC4-Dual探针动态控制器采集的信号带宽能够达到5MHz，使控制更加稳定。
具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一所述的双探针原子力显微镜的区别在于：第一激光力学子系统中，激光器3发出的激光、经第一探针手臂18的针尖反射后的激光以及经反射镜9反射后的激光在同一平面内，所述平面为S1面；第二激光力学子系统中，激光器3发出的激光、经第一探针手臂18的针尖反射后的激光以及经反射镜9反射后的激光在同一平面内，所述平面为S2面。
第一激光力学子系统中的激光与第二激光力学子系统中的激光分别在两个平面内传播，使得光路调节简单方便，并且能够节省空间。
具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式三所述的双探针原子力显微镜的区别在于：所述的S1面与S2面重合。
S1面与S2面重合能够最大限度节省空间。
具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是采用实施方式一所述的双探针原子力显微镜实现纳米结构操作的方法，所述方法通过以下步骤实现：
步骤一、将待操作的纳米样品固定在样品台16上；
步骤二、上位机20在接收到用户输入的XY微米控制信号后，发送该控制信号给XY微米定位台14，XY微米定位台14带动纳米样品移动，直到该纳米样品移动到需要操作的区域位于显微镜的视场中心；
步骤三、上位机20将用户输入的第一组粗对准控制信号发送给第一XYZ微米定位台17，所述第一组粗对准控制信号包括XY平面粗对准控制信号和Z方向控制信号，第一XYZ微米定位台17带动第一探针手臂18在X、Y和Z方向移动，直至所述第一探针手臂18的前端位于纳米样品需要操作的区域的正上方；
步骤四、采用与步骤三相同的方式，使第二探针手臂11的前端位于步骤二纳米样品需要操作的区域的正上方，其中第二探针手臂11的Z方向控制信号与步骤三中第一探针手臂18的Z方向控制信号相同；
步骤五、调节第一激光力学子系统和第二激光力学子系统，使得第一激光力学子系统和第二激光力学子系统的激光光斑分别位于第一探针手臂18的前端中心和第二探针手臂11的前端中心；
步骤六、上位机20将用户输入的扫描模式控制信号和Z方向弹回控制信号通过切换器22发送给第一XYZ纳米定位台15，所述扫描模式控制信号为接触模式或轻敲模式，所述第一XYZ纳米定位台15沿Z轴向上移动，当第一XYZ纳米定位台15与第一探针手臂18接触后，第一XYZ纳米定位台15向下移动，直至所述第一探针手臂18与样品台16在竖直方向上的距离为所述Z方向弹回控制信号的值；
步骤七、采用与步骤六相同的方式，使第二探针手臂11与样品台16在竖直方向上的距离为步骤六中第一探针手臂18的Z方向弹回控制信号的值；
步骤八、上位机20通过双路探针控制器23和切换器22将用户输入的接触模式控制信号发送给第一XYZ纳米定位台15，第一XYZ纳米定位台15向上移动直样品台16其与第一探针手臂18接触；
步骤九、启动预扫描过程：
上位机20发送用户输入的预扫描控制信号给第二XYZ纳米定位台13，第二XYZ纳米定位台13沿X、Y和Z方向移动对第一探针手臂18进行扫描；
步骤十、启动图像扫描过程：
上位机20发送用户输入的扫描参数给第二XYZ纳米定位台13，第二XYZ纳米定位台13沿与步骤九中的X、Y和Z方向相反的方向移动；
步骤十一、上位机20发送用户输入的对准控制信号给第二XYZ纳米定位台13，第二XYZ纳米定位台13在X、Y和Z方向移动，直至其与第一XYZ纳米定位台15对准；该步骤完成后，第一探针手臂18与第二探针手臂11形成纳米镊子；
步骤十二、上位机20将用户输入的操作对象信号和操作路径控制信号同时发送给第一XYZ纳米定位台15和第二XYZ纳米定位台13，第一XYZ纳米定位台15和第二XYZ纳米定位台13分别带动第一探针手臂18和第二探针手臂11进行纳米样品的三维摄取、搬移和组装任务；所述操作对象为纳米样品；
所述的纳米样品的三维摄取、搬移和组装任务通过以下步骤完成：
步骤A、第一XYZ纳米定位台15带动样品台16移动，直至纳米样品位于第一探针手臂18与第二探针手臂11针尖的下方；
步骤B、第一XYZ微米定位台17与第二XYZ纳米定位台13分别带动第一探针手臂18与第二探针手臂11朝纳米样品移动，直至第一探针手臂18与第二探针手臂11实现对纳米样品的夹持；
步骤C、第一XYZ纳米定位台15与第二XYZ纳米定位台13分别带动第一探针手臂18与第二探针手臂11按照用户输入的操作路径控制信号移动，完成纳米样品的三维摄取、搬移和组装任务；
步骤D、第一XYZ纳米定位台15与第二XYZ纳米定位台13分别带动第一探针手臂18与第二探针手臂11按照用户输入的操作路径控制信号对称分开；
步骤E、第一XYZ纳米定位台15带动第一探针手臂18按照用户输入的操作路径控制信号移动，使得第一探针手臂18回到步骤十一完成后该第一探针手臂18所在的位置；
步骤十三、上位机20发送用户输入的扫描控制信号给第二XYZ纳米定位台13，第二XYZ纳米定位台13带动第二探针手臂11对纳米样品进行扫描，以验证操作结果；
步骤十四、判断操作结果是否合格，如果合格，结束操作；否则，返回步骤十一；
第二XYZ纳米定位台13与第一XYZ纳米定位台15接收到的控制信号包括X方向控制信号、Y方向控制信号和Z方向控制信号，所述X方向控制信号与Y方向控制信号由上位机20发送，当扫描模式为接触模式时，所述Z方向控制信号由上位机20通过切换器22发送，当扫描模式为轻敲模式或非接触模式时，所述Z方向控制信号由上位机20通过双路探针控制器23和切换器22发送；
图像扫描过程中：双路探针控制器23通过四象限位置检测器5向执行扫描过程的探针手臂发送振动控制信号，探针手臂在振动控制信号的作用下振动，四象限位置检测器5检测到的信号包括法向信号、侧向信号和总信号，四象限位置检测器5将法向信号同时发送至双路探针控制器23和采集卡19、将侧向信号和总信号发送至采集卡19，上位机20或双路探针控制器23对法向信号进行处理并发送Z方向控制信号给第二XYZ纳米定位台13与第一XYZ纳米定位台15。
本实施方式所述的实现纳米结构操作的方法，第二XYZ微米定位台12、第二XYZ纳米定位台13、XY微米定位台14、第一XYZ纳米定位台15和第一XYZ微米定位台17的运动参数及扫描参数均由用户通过上位机20进行设置。首先进行系统初始化，然后由操作人员将准备好的纳米样品固定在样品台16上。用户设置XY微米定位台14的运动参数，XY微米定位台14在XY平面内移动，直至纳米样品需要操作的区域位于显微镜的视场中心，XY平面与光学显微镜1的底座平行，竖直方向定义为Z方向。用户设置两组第一组粗对准控制参数和第二组粗对准控制参数，上位机20按照上述两组粗对准控制参数控制第一XYZ微米定位台17和第二XYZ微米定位台12在X、Y和Z方向移动，步骤四结束后，两个探针手臂的前端均位于纳米样品需要操作的区域的上方，且两个探针手臂前端到样品台16的Z方向距离相等，所述距离小于50μm。操作人员调节第一激光力学子系统和第二激光力学子系统，使得第一激光力学子系统和第二激光力学子系统的激光光斑分别位于第一探针手臂18和第二探针手臂11的前端中心。用户设置第一探针手臂18的扫描模式和弹回距离，所述弹回距离小于20nm，扫描模式可以选择接触模式或轻敲模式，当选择接触模式时，四象限位置检测器5的检测信号为力信号，此时需设定力的阈值，当选择轻敲模式时，四象限位置检测器5的检测信号为谐振信号，此时需设定振幅，设置完第一探针手臂18的扫描模式后，启动第一探针手臂18的伺服控制，第一XYZ纳米定位台15在Z方向向接近第一探针手臂18的方向移动，当四象限位置检测器5的检测信号值超过所设定的力的阈值或振幅时，即认为样品台16与第一探针手臂18发生接触，第一XYZ纳米定位台15沿反方向移动，移动距离为所述的弹回距离；用户设置第二探针手臂11的扫描模式和弹回距离，并启动第二探针手臂11的伺服控制，所述弹回距离与步骤六中的弹回距离相等，此步骤完成后，第一探针手臂18与第二探针手臂11的针尖在Z方向的误差小于10nm。将第一探针手臂18的伺服模式切换为接触模式，并启动第一探针手臂18的伺服控制，双路探针控制器23通过切换器22控制第一XYZ纳米定位台15在Z方向向接近样品台16的方向移动，直至与样品台16发生接触，然后停止移动。设定第二探针手臂11的预扫描参数并启动预扫描，第二XYZ纳米定位台13带动第二探针手臂11向接近第一探针手臂18的方向移动，当第一探针手臂18的针尖被第二探针手臂11扫描到并呈现清晰的图像时，第二探针手臂11开始对第一探针手臂18进行扫描，成像长度为200nm，至此，探针1和探针2在XY平面内的位置便可精确确定。设定第二探针手臂11的扫描参数并启动扫描，第二XYZ纳米定位台13带动第二探针手臂11沿与步骤九所述的X、Y和Z方向相反的方向移动，扫描完毕后，图像区域内包括第一探针手臂18的针尖以及纳米样品。用户输入对准控制信号，第二XYZ纳米定位台13带动第二探针手臂11在X、Y和Z方向移动并与第一XYZ纳米定位台15对准形成纳米镊子。设定操作对象和操作路径，所述操作对象即为纳米样品，第一XYZ纳米定位台15向上移动直至纳米样品位于两个探针手臂的下方，两个探针手臂分别朝纳米样品移动实现对纳米样品的夹持，实现纳米样品的三维摄取，再按照用户输入的操作路径移动，完成纳米样品的搬移和组装任务，两个探针手臂对称分开，然后第一探针手臂18回到步骤十一完成后该第一探针手臂18所在的位置。用户设置第二探针手臂11的扫描参数，第二探针手臂11对操作后的纳米样品进行扫描，以验证操作结果。如果操作结果合格，则结束操作，否则，返回执行步骤十一，直到操作结果符合要求。
本实施方式所述的实现纳米结构操作的方法通过上位机20和双路探针控制器23控制各工作台移动，进而带动两个探针手臂和样品台移动，实现AFM图像扫描，并基于扫描的图像信息，通过对准两个探针手臂构成双探针纳米镊子，完成三维纳米样品的夹持、搬移和组装任务，路探针控制器23采集四象限位置检测器5的法向信号，根据该法向信号控制第二XYZ纳米定位台13与第一XYZ纳米定位台15在Z方向的位置，双路探针控制器23采集的信号带宽能够达到5MHz，这使得双路探针控制器23对第二XYZ纳米定位台13与第一XYZ纳米定位台15在Z方向的位置控制更加精确，因而对三维纳米样品的夹持、搬移和组装过程的控制也更加稳定。
本实施方式中的第二XYZ微米定位台12、第二XYZ纳米定位台13、XY微米定位台14、第一XYZ纳米定位台15和第一XYZ微米定位台17的各轴运动精度、两个探针的对准精度以及三维纳米操作对象的典型尺度指标测试结果如表1至表7所示：
表1：第一XYZ微米定位台17的各轴运动精度
表2：第二XYZ微米定位台12的各轴运动精度
表3：XY微米定位台14的各轴运动精度
表4：第一XYZ纳米定位台15的各轴运动精度
表5：第二XYZ纳米定位台13的各轴运动精度
表6：两个探针的对准精度
| 名称 | x轴 | y轴 | z轴 |
| 对准精度(nm) | <10 | <10 | 0.5 |
表7：三维纳米操作对象的典型尺度
| 名称 | 最小直径 | 最大直径 |
| 典型尺度 | 35.2nm | <10μm |
Claims (5)
1.双探针原子力显微镜，包括光学显微镜(1)和上位机(20)，其特征在于：它还包括第一激光力学子系统、第二激光力学子系统、第一探针手臂(18)、第二探针手臂(11)、第二XYZ微米定位台(12)、第二XYZ纳米定位台(13)、XY微米定位台(14)、第一XYZ纳米定位台(15)、样品台(16)和第一XYZ微米定位台(17)、双路探针控制器(23)、采集卡(19)、两个压电控制器(21)和两个切换器(22)；
所述第一激光力学子系统用于探测第一探针手臂(18)的力信号或谐振信号，第二激光力学子系统用于探测第二探针手臂(11)的力信号或谐振信号，所述第一激光力学子系统与第二激光力学子系统的结构相同，所述第一激光力学子系统包括用于调节激光角度的激光角度调整机构(2)、激光器(3)、四象限位置检测器(5)、用于调节四象限位置检测器(5)的位置的四象限位置检测器二维调整微平台(4)、反射激光凸透镜(7)、用于调节反射激光凸透镜(7)沿激光传播方向的位置的反射凸透镜一维调整微平台(6)、入射光凸透镜(10)、用于调节入射光凸透镜(10)沿激光传播方向的位置的入射凸透镜一维调整微平台(8)和反射镜(9)；
所述XY微米定位台(14)固定在光学显微镜(1)的底座上，所述底座为平板结构，XY平面与光学显微镜(1)的底座平行，第一XYZ纳米定位台(15)固定在XY微米定位台(14)上，样品台(16)固定在第一XYZ纳米定位台(15)上，第一探针手臂(18)固定在所述第一XYZ微米定位台(17)上，第二XYZ纳米定位台(13)固定在所述第二XYZ微米定位台(12)上，第二探针手臂(11)固定在所述第二XYZ纳米定位台(13)上，所述第一探针手臂(18)和第二探针手臂(11)的针尖相对、且均朝向样品台(16)；
第一激光力学子系统中，激光器(3)固定在激光角度调整机构(2)上，四象限位置检测器(5)固定在四象限位置检测器二维调整微平台(4)上，入射光凸透镜(10)固定在入射凸透镜一维调整微平台(8)上，反射激光凸透镜(7)固定在反射凸透镜一维调整微平台(6)上，激光器(3)发出的激光经过入射光凸透镜(10)后聚焦在第一探针手臂(18)的针尖上，经所述针尖反射后的激光入射至反射镜(9)的表面，经反射镜(9)反射后的激光入射至反射激光凸透镜(7)，经过反射激光凸透镜(7)后聚焦在四象限位置检测器(5)的探测面上；第二激光力学子系统的激光器(3)发出的激光经过入射光凸透镜(10)后聚焦在第二探针手臂(11)的针尖上，经针尖反射后的激光入射至反射镜(9)的表面，经反射镜(9)反射后的激光入射至反射激光凸透镜(7)，经过反射激光凸透镜(7)后聚焦在四象限位置检测器(5)的探测面上；
上位机(20)的第一XYZ微米控制信号输出端连接第一XYZ微米定位台(17)的控制信号输入端，上位机(20)的第二XYZ微米控制信号输出端连接第二XYZ微米定位台(12)的控制信号输入端，上位机(20)的XY微米控制信号输出端连接XY微米定位台(14)的控制信号输入端，上位机(20)的第一XY纳米控制信号输出端通过一个压电控制器(21)连接第一XYZ纳米定位台(15)的XY控制信号输入端，上位机(20)的第二XY纳米控制信号输出端通过另一个压电控制器(21)连接第二XYZ纳米定位台(13)的XY控制信号输入端，上位机(20)的第一Z纳米控制信号输出端和双路探针控制器(23)的第一Z纳米控制信号输出端分别连接一个切换器(22)的两个信号输入端，该切换器(22)的信号输出端通过一个压电控制器(21)连接第一XYZ纳米定位台(15)的Z控制信号输入端，上位机(20)的第二Z纳米控制信号输出端和双路探针控制器(23)的第二Z纳米控制信号输出端分别连接另一个切换器(22)的两个信号输入端，该切换器(22)的信号输出端通过另一个压电控制器(21)连接第二XYZ纳米定位台(13)的Z控制信号输入端，第一激光力学子系统的四象限位置检测器(5)的振动控制信号输出端连接第一探针手臂(18)的振动控制信号输入端，该四象限位置检测器(5)的法向检测信号输出端同时连接双路探针控制器(23)的第一法向检测信号输入端和采集卡(19)的第一法向检测信号输入端，该四象限位置检测器(5)的侧向检测信号输出端和总检测信号输出端分别连接采集卡(19)的第一侧向检测信号输入端和第一总检测信号输入端，第二激光力学子系统的四象限位置检测器(5)的振动控制信号输出端连接第二探针手臂(11)的振动控制信号输入端，该四象限位置检测器(5)的法向检测信号输出端同时连接双路探针控制器(23)的第二法向检测信号输入端和采集卡(19)的第二法向检测信号输入端，该四象限位置检测器(5)的侧向检测信号输出端和总检测信号输出端分别连接采集卡(19)的第二侧向检测信号输入端和第二总检测信号输入端，采集卡(19)的信号输出端连接上位机(20)的采集卡信号输入端。
2.根据权利要求1所述的双探针原子力显微镜，其特征在于：所述的双路探针控制器(18)采用OC4-Dual探针动态控制器实现。
3.根据权利要求1所述的双探针原子力显微镜，其特征在于：第一激光力学子系统中，激光器(3)发出的激光、经第一探针手臂(18)的针尖反射后的激光以及经反射镜(9)反射后的激光在同一平面内，所述平面为S1面；第二激光力学子系统中，激光器(3)发出的激光、经第一探针手臂(18)的针尖反射后的激光以及经反射镜(9)反射后的激光在同一平面内，所述平面为S2面。
4.根据权利要求3所述的双探针原子力显微镜，其特征在于：所述的S1面与S2面重合。
5.采用权利要求1所述的双探针原子力显微镜实现纳米结构操作的方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：
步骤一、将待操作的纳米样品固定在样品台(16)上；
步骤二、上位机(20)在接收到用户输入的XY微米控制信号后，发送该控制信号给XY微米定位台(14)，XY微米定位台(14)带动纳米样品移动，直到该纳米样品移动到需要操作的区域位于显微镜的视场中心；
步骤三、上位机(20)将用户输入的第一组粗对准控制信号发送给第一XYZ微米定位台(17)，所述第一组粗对准控制信号包括XY平面粗对准控制信号和Z方向控制信号，第一XYZ微米定位台(17)带动第一探针手臂(18)在X、Y和Z方向移动，直至所述第一探针手臂(18)的前端位于纳米样品需要操作的区域的正上方；
步骤四、采用与步骤三相同的方式，使第二探针手臂(11)的前端位于步骤二纳米样品需要操作的区域的正上方，其中第二探针手臂(11)的Z方向控制信号与步骤三中第一探针手臂(18)的Z方向控制信号相同；
步骤五、调节第一激光力学子系统和第二激光力学子系统，使得第一激光力学子系统和第二激光力学子系统的激光光斑分别位于第一探针手臂(18)的前端中心和第二探针手臂(11)的前端中心；
步骤六、上位机(20)将用户输入的扫描模式控制信号和Z方向弹回控制信号通过切换器(22)发送给第一XYZ纳米定位台(15)，所述扫描模式控制信号为接触模式、轻敲模式或非接触模式，所述第一XYZ纳米定位台(15)沿Z轴向上移动，当第一XYZ纳米定位台(15)与第一探针手臂(18)接触后，第一XYZ纳米定位台(15)向下移动，直至所述第一探针手臂(18)与样品台(16)在竖直方向上的距离为所述Z方向弹回控制信号的值；
步骤七、采用与步骤六相同的方式，使第二探针手臂(11)与样品台(16)在竖直方向上的距离为步骤六中第一探针手臂(18)的Z方向弹回控制信号的值；
步骤八、上位机(20)通过双路探针控制器(23)和切换器(22)将用户输入的接触模式控制信号发送给第一XYZ纳米定位台(15)，第一XYZ纳米定位台(15)向上移动直样品台(16)其与第一探针手臂(18)接触；
步骤九、启动预扫描过程：
上位机(20)发送用户输入的预扫描控制信号给第二XYZ纳米定位台(13)，第二XYZ纳米定位台(13)沿X、Y和Z方向移动对第一探针手臂(18)进行扫描；
步骤十、启动图像扫描过程：
上位机(20)发送用户输入的扫描参数给第二XYZ纳米定位台(13)，第二XYZ纳米定位台(13)沿与步骤九中的X、Y和Z方向相反的方向移动；
步骤十一、上位机(20)发送用户输入的对准控制信号给第二XYZ纳米定位台(13)，第二XYZ纳米定位台(13)在X、Y和Z方向移动，直至其与第一XYZ纳米定位台(15)对准；该步骤完成后，第一探针手臂(18)与第二探针手臂(11)形成纳米镊子；
步骤十二、上位机(20)将用户输入的操作对象信号和操作路径控制信号同时发送给第一XYZ纳米定位台(15)和第二XYZ纳米定位台(13)，第一XYZ纳米定位台(15)和第二XYZ纳米定位台(13)分别带动第一探针手臂(18)和第二探针手臂(11)进行纳米样品的三维摄取、搬移和组装任务；所述操作对象为纳米样品；
所述的纳米样品的三维摄取、搬移和组装任务通过以下步骤完成：
步骤A、第一XYZ纳米定位台(15)带动样品台(16)移动，直至纳米样品位于第一探针手臂(18)与第二探针手臂(11)针尖的下方；
步骤B、第一XYZ微米定位台(17)与第二XYZ纳米定位台(13)分别带动第一探针手臂(18)与第二探针手臂(11)朝纳米样品移动，直至第一探针手臂(18)与第二探针手臂(11)实现对纳米样品的夹持；
步骤C、第一XYZ纳米定位台(15)与第二XYZ纳米定位台(13)分别带动第一探针手臂(18)与第二探针手臂(11)按照用户输入的操作路径控制信号移动，完成纳米样品的三维摄取、搬移和组装任务；
步骤D、第一XYZ纳米定位台(15)与第二XYZ纳米定位台(13)分别带动第一探针手臂(18)与第二探针手臂(11)按照用户输入的操作路径控制信号对称分开；
步骤E、第一XYZ纳米定位台(15)带动第一探针手臂(18)按照用户输入的操作路径控制信号移动，使得第一探针手臂(18)回到步骤十一完成后该第一探针手臂(18)所在的位置；
步骤十三、上位机(20)发送用户输入的扫描控制信号给第二XYZ纳米定位台(13)，第二XYZ纳米定位台(13)带动第二探针手臂(11)对纳米样品进行扫描，以验证操作结果；
步骤十四、判断操作结果是否合格，如果合格，结束操作；否则，返回步骤十一；
第二XYZ纳米定位台(13)与第一XYZ纳米定位台(15)接收到的控制信号包括X方向控制信号、Y方向控制信号和Z方向控制信号，所述X方向控制信号与Y方向控制信号由上位机(20)发送，当扫描模式为接触模式时，所述Z方向控制信号由上位机(20)通过切换器(22)发送，当扫描模式为轻敲模式或非接触模式时，所述Z方向控制信号由上位机(20)通过双路探针控制器(23)和切换器(22)发送；
图像扫描过程中：双路探针控制器(23)通过四象限位置检测器(5)向执行扫描过程的探针手臂发送振动控制信号，探针手臂在振动控制信号的作用下振动，四象限位置检测器(5)检测到的信号包括法向信号、侧向信号和总信号，四象限位置检测器(5)将法向信号同时发送至双路探针控制器(23)和采集卡(19)、将侧向信号和总信号发送至采集卡(19)，上位机(20)或双路探针控制器(23)对法向信号进行处理并发送Z方向控制信号给第二XYZ纳米定位台(13)与第一XYZ纳米定位台(15)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |