CN103454454A - 用于双探针原子力显微镜的激光测力系统 - Google Patents

用于双探针原子力显微镜的激光测力系统 Download PDF

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用于双探针原子力显微镜的激光测力系统，属于纳米结构或纳米器件三维操作技术领域，具体涉及原子力显微镜探针的测力技术。它为了解决传统的原子力显微镜（AFM）因不具备探针测力系统而不能实现纳米结构的三维操作的问题。本发明包括两套独立的激光力学子系统，所述两套独立的激光力学子系统的布局与两个探针的布局相对应，呈左右对称结构。两套激光力学子系统中的两个四象限位置检测器分别用来测量每个探针的受力变形程度，以此实现两个探针位置的纳米级精密定位和操作力的精确检测控制，进而实现纳米结构的三维操作。本发明适用于纳米制造、测试、特性表征以及生物领域。

Description

用于双探针原子力显微镜的激光测力系统
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，具体涉及原子力显微镜探针的测力技术。
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。要实现纳米材料的三维操作，不仅需要在一个原子力显微镜（AFM）上设置两个探针，更重要的是如何实现对两个探针的力的检测，因为只有实现对探针的力的检测，才能实现对探针的精确定位和探针操作力的精确控制。
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）因不具备探针测力系统而不能实现纳米结构的三维操作的问题，提供一种用于双探针原子力显微镜的激光测力系统。
本发明所述的用于双探针原子力显微镜的激光测力系统包括第一激光力学子系统和第二激光力学子系统，所述第一激光力学子系统用于探测双探针原子力显微镜的第一探针手臂的信号，第二激光力学子系统用于探测双探针原子力显微镜的第二探针手臂的信号，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1、激光器2、入射光凸透镜9、用于调节入射光凸透镜9的位置的入射凸透镜调整机构4、反射镜8、反射激光凸透镜5、用于调节反射激光凸透镜5的位置的反射凸透镜调整机构6、四象限位置检测器7和用于调节四象限位置检测器7的位置的四象限位置检测器调整机构3；
第一激光力学子系统中，激光器2固定在激光角度调整机构1上，四象限位置检测器7固定在四象限位置检测器调整机构3上，入射光凸透镜9固定在入射凸透镜调整机构4上，反射激光凸透镜5固定在反射凸透镜调整机构6上，激光器2发出的激光经过入射光凸透镜9后聚焦在双探针原子力显微镜的第一探针手臂的针尖上，经所述针尖反射后的激光入射至反射镜8的表面，经反射镜8反射后的激光入射至反射激光凸透镜5，经过反射激光凸透镜5后聚焦在四象限位置检测器7的探测面上；
第二激光力学子系统中，激光器2固定在激光角度调整机构1上，四象限位置检测器7固定在四象限位置检测器调整机构3上，入射光凸透镜9固定在入射凸透镜调整机构4上，反射激光凸透镜5固定在反射凸透镜调整机构6上，激光器2发出的激光经过入射光凸透镜9后聚焦在双探针原子力显微镜的第二探针手臂的针尖上，经所述针尖反射后的激光入射至反射镜8的表面，经反射镜8反射后的激光入射至反射激光凸透镜5，经过反射激光凸透镜5后聚焦在四象限位置检测器7的探测面上。
第一激光力学子系统中，激光器2发出的激光、经第一探针手臂的针尖反射后的激光以及经反射镜8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2发出的激光、经第二探针手臂的针尖反射后的激光以及经反射镜8反射后的激光在同一平面内，所述平面为S2面。
所述S1面与S2面重合。
所述的第一激光力学子系统中激光角度调整机构1、入射凸透镜调整机构4、反射镜8、反射凸透镜调整机构6、四象限位置检测器调整机构3、第二激光力学子系统中激光角度调整机构1、入射凸透镜调整机构4、反射镜8、反射凸透镜调整机构6和四象限位置检测器调整机构3均固定在底板10上。
所述底板10上设置有安装孔。
本发明所述的用于双探针原子力显微镜的激光测力系统包括两套独立的激光力学子系统，所述两套独立的激光力学子系统的布局与两个探针的布局相对应，呈左右对称结构。两套激光力学子系统中的两个四象限位置检测器7分别用来测量每个探针的受力变形程度，以此实现两个探针位置的纳米级精密定位和操作力的精确检测控制，进而为实现纳米结构的三维操作提供技术支持。带有本发明所述的激光测力系统的双探针原子力显微镜，能够实现对纳米结构的三维操作。
附图说明
图1为本发明所述的用于双探针原子力显微镜的激光测力系统的结构示意图；
图2为图1的正视图。
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，本实施方式所述的用于双探针原子力显微镜的激光测力系统包括第一激光力学子系统和第二激光力学子系统，所述第一激光力学子系统用于探测双探针原子力显微镜的第一探针手臂的信号，第二激光力学子系统用于探测双探针原子力显微镜的第二探针手臂的信号，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1、激光器2、入射光凸透镜9、用于调节入射光凸透镜9的位置的入射凸透镜调整机构4、反射镜8、反射激光凸透镜5、用于调节反射激光凸透镜5的位置的反射凸透镜调整机构6、四象限位置检测器7和用于调节四象限位置检测器7的位置的四象限位置检测器调整机构3；
第一激光力学子系统中，激光器2固定在激光角度调整机构1上，四象限位置检测器7固定在四象限位置检测器调整机构3上，入射光凸透镜9固定在入射凸透镜调整机构4上，反射激光凸透镜5固定在反射凸透镜调整机构6上，激光器2发出的激光经过入射光凸透镜9后聚焦在双探针原子力显微镜的第一探针手臂的针尖上，经所述针尖反射后的激光入射至反射镜8的表面，经反射镜8反射后的激光入射至反射激光凸透镜5，经过反射激光凸透镜5后聚焦在四象限位置检测器7的探测面上；
第二激光力学子系统中，激光器2固定在激光角度调整机构1上，四象限位置检测器7固定在四象限位置检测器调整机构3上，入射光凸透镜9固定在入射凸透镜调整机构4上，反射激光凸透镜5固定在反射凸透镜调整机构6上，激光器2发出的激光经过入射光凸透镜9后聚焦在双探针原子力显微镜的第二探针手臂的针尖上，经所述针尖反射后的激光入射至反射镜8的表面，经反射镜8反射后的激光入射至反射激光凸透镜5，经过反射激光凸透镜5后聚焦在四象限位置检测器7的探测面上。
本实施方式所述的用于双探针原子力显微镜的激光测力系统在实际应用过程中，将两个四象限位置检测器7的力探测信号输出端分别连接到上位机的两个力探测信号输入端，探针移动或夹持过程中，经探针针尖反射后的激光入射到四象限位置检测器7的光探测面上，四象限位置检测器7根据光信号得到探针法向力信号或侧向力信号。探针受力后，法向或侧向变形使得激光光斑在四象限位置检测器7上的位置发生偏移，导致四象限位置检测器7产生相应的电差输出，通过标定，便可得到力-电压之间的转换参数。通过对力信号的监测，能够实现对探针位置和操作力的精确控制，以此实现对纳米结构的三维操作。
具体实施方式二：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用于双探针原子力显微镜的激光测力系统的区别在于：第一激光力学子系统中，激光器2发出的激光、经第一探针手臂的针尖反射后的激光以及经反射镜8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2发出的激光、经第一探针手臂的针尖反射后的激光以及经反射镜8反射后的激光在同一平面内，所述平面为S2面。
每个激光力学子系统中的激光均在同一平面内，这种布局能够节省空间，以便增加其他测试或控制系统，实现更多功能。
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二所述的用于双探针原子力显微镜的激光测力系统的区别在于：所述的S1面与S2面重合。
这种布局能够最大限度地节约空间。
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一至三所述的用于双探针原子力显微镜的激光测力系统的区别在于：所述的第一激光力学子系统中的激光角度调整机构1、入射凸透镜调整机构4、反射镜8、反射凸透镜调整机构6、四象限位置检测器调整机构3、第二激光力学子系统中的激光角度调整机构1、入射凸透镜调整机构4、反射镜8、反射凸透镜调整机构6和四象限位置检测器调整机构3均固定在底板10上。
将两个激光力学子系统中的激光角度调整机构1、入射凸透镜调整机构4、反射镜8、反射凸透镜调整机构6和四象限位置检测器调整机构3均固定在底板10上，能够使本实施方式所述的用于双探针原子力显微镜的激光测力系统使用更加方便，将底板10安装在适当的位置即可使用。
具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式四所述的用于双探针原子力显微镜的激光测力系统的区别在于：所述的底板10上设置有安装孔。
安装孔用来固定底板10。
具体实施方式六：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、二、三或五所述的用于双探针原子力显微镜的激光测力系统的区别在于：所述的入射凸透镜调整机构4采用一维调整微平台实现。
所述一维调整微平台用于实现对入射光凸透镜9沿激光传播方向的位置的调节。
具体实施方式七：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、二、三或五所述的用于双探针原子力显微镜的激光测力系统的区别在于：所述的反射凸透镜调整机构6采用一维调整微平台实现。
所述一维调整微平台用于实现对反射激光凸透镜5沿激光传播方向的位置的调节。
具体实施方式八：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、二、三或五所述的用于双探针原子力显微镜的激光测力系统的区别在于：所述的四象限位置检测器调整机构3采用二维调整微平台实现。
所述二维调整微平台用于调节激光光斑在四象限位置检测器7的探测面上的位置。

Claims (8)

1.用于双探针原子力显微镜的激光测力系统，其特征在于：它包括第一激光力学子系统和第二激光力学子系统，所述第一激光力学子系统用于探测双探针原子力显微镜的第一探针手臂的信号，第二激光力学子系统用于探测双探针原子力显微镜的第二探针手臂的信号，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(1)、激光器(2)、入射光凸透镜(9)、用于调节入射光凸透镜(9)的位置的入射凸透镜调整机构(4)、反射镜(8)、反射激光凸透镜(5)、用于调节反射激光凸透镜(5)的位置的反射凸透镜调整机构(6)、四象限位置检测器(7)和用于调节四象限位置检测器(7)的位置的四象限位置检测器调整机构(3)；
第一激光力学子系统中，激光器(2)固定在激光角度调整机构(1)上，四象限位置检测器(7)固定在四象限位置检测器调整机构(3)上，入射光凸透镜(9)固定在入射凸透镜调整机构(4)上，反射激光凸透镜(5)固定在反射凸透镜调整机构(6)上，激光器(2)发出的激光经过入射光凸透镜(9)后聚焦在双探针原子力显微镜的第一探针手臂的针尖上，经所述针尖反射后的激光入射至反射镜(8)的表面，经反射镜(8)反射后的激光入射至反射激光凸透镜(5)，经过反射激光凸透镜(5)后聚焦在四象限位置检测器(7)的探测面上；
第二激光力学子系统中，激光器(2)固定在激光角度调整机构(1)上，四象限位置检测器(7)固定在四象限位置检测器调整机构(3)上，入射光凸透镜(9)固定在入射凸透镜调整机构(4)上，反射激光凸透镜(5)固定在反射凸透镜调整机构(6)上，激光器(2)发出的激光经过入射光凸透镜(9)后聚焦在双探针原子力显微镜的第二探针手臂的针尖上，经所述针尖反射后的激光入射至反射镜(8)的表面，经反射镜(8)反射后的激光入射至反射激光凸透镜(5)，经过反射激光凸透镜(5)后聚焦在四象限位置检测器(7)的探测面上。
2.根据权利要求1所述的用于双探针原子力显微镜的激光测力系统，其特征在于：第一激光力学子系统中，激光器(2)发出的激光、经第一探针手臂的针尖反射后的激光以及经反射镜(8)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(2)发出的激光、经第一探针手臂的针尖反射后的激光以及经反射镜(8)反射后的激光在同一平面内，所述平面为S2面。
3.根据权利要求2所述的用于双探针原子力显微镜的激光测力系统，其特征在于：所述的S1面与S2面重合。
4.根据权利要求1、2或3所述的用于双探针原子力显微镜的激光测力系统，其特征在于：所述的第一激光力学子系统中的激光角度调整机构(1)、入射凸透镜调整机构(4)、反射镜(8)、反射凸透镜调整机构(6)、四象限位置检测器调整机构(3)、第二激光力学子系统中的激光角度调整机构(1)、入射凸透镜调整机构(4)、反射镜(8)、反射凸透镜调整机构(6)和四象限位置检测器调整机构(3)均固定在底板(10)上。
5.根据权利要求4所述的用于双探针原子力显微镜的激光测力系统，其特征在于：所述的底板(10)上设置有安装孔。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的用于双探针原子力显微镜的激光测力系统，其特征在于：所述的入射凸透镜调整机构(4)采用一维调整微平台实现。
7.根据权利要求1、2、3或5所述的用于双探针原子力显微镜的激光测力系统，其特征在于：所述的反射凸透镜调整机构(6)采用一维调整微平台实现。
8.根据权利要求1、2、3或5所述的用于双探针原子力显微镜的激光测力系统，其特征在于：所述的四象限位置检测器调整机构(3)采用二维调整微平台实现。
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