CN104849499A - 一种快速扫描原子力显微检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速扫描原子力显微检测方法及系统。它包括快速扫描原子力显微检测主体探头、光电流/电压转换放大器、Z向负反馈控制模块、X方向快速扫描控制模块、Y方向快速扫描控制模块、计算机；光电流/电压转换放大器、Z向负反馈控制模块、X方向快速扫描控制模块、Y方向快速扫描控制模块分别与快速扫描原子力显微检测主体探头、计算机连接。快速扫描原子力显微检测主体探头的X方向快速片状扫描器独立实现微探针的X方向快速扫描，Y方向快速扫描器独立实现样品的Y方向快速扫描，且Z方向反馈与Y方向扫描正交独立。本发明克服了常规型AFM的局限性，可实现微纳米样品的高速度、高精度、无畸变的快速扫描与原子力显微检测成像。

Description

一种快速扫描原子力显微检测方法及系统

技术领域

本发明属微纳米技术及显微检测成像技术领域，更特殊地，涉及一种快速扫描原子力显微检测方法及系统，用于实现原子力显微镜的高速度、高精度、无畸变的快速扫描及微纳米显微检测成像。

背景技术

近年来，微纳米技术的研究及应用得到飞速发展，已成为二十一世纪世界各主要国家优先发展的重点及前沿领域。而光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）及扫描探针显微镜（SPM）等微纳米显微检测成像技术，是微纳米技术发展的重要基础。SPM家族中最具代表性的是扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM），其中尤其以AFM的研究和应用更为广泛，因为AFM不受微纳米样品的导电性、磁性及物质态（固态、胶体、液态）等的限制，因而在微纳米电子学、微纳米光电子学、物理学、化学、材料与高分子科学、生命科学及微纳米技术的其他领域发挥着重大作用，极大地推动了微纳米技术的发展，进而为科学技术的发展进步起到了重要作用。

随着微纳米技术的发展，对微纳米显微检测与成像技术也提出了新的要求，对AFM技术也不例外。此前，世界上绝大多数常规型AFM，其扫描速度都是较慢甚至很慢的，例如，某些进口的AFM仪器系统，扫描一幅AFM图像（如128×128、256×256、512×512像素），需要用10~60分钟时间，有的扫描时间甚至更长。这就大大限制了AFM的显微检测成像的实时性，进而影响其总体性能及推广应用。究其原因，主要是绝大多数常规型AFM采用XYZ固定在一起的扫描与反馈控制器（三角架型或管状四等分型），或者采用XY固定在一起的扫描器，使得X方向的扫描与Y方向的扫描互相不独立，彼此之间因存在固定连接而造成严重制约干扰，从而无法提高扫描速度，特别是无法提高X方向（快扫描轴）的扫描速度。而对于高速扫描而言（以每秒1幅128×128~256×256像素的扫描速度为例），X方向需要达到每秒128×128~256×256像素点的扫描速度（Y需要达到每秒128~256像素的扫描速度），其中的X方向的超高扫描速度，是上述常规型AFM及其扫描器无法实现的。同时，上述常规型AFM中，X、Y、Z方向的扫描及反馈控制彼此固定在一起，两两之间彼此不独立，在扫描过程中特别是在试图以较快速度扫描时，三个方向会存在相互耦合干扰与制约，既使扫描速度无法进一步提升，也会使AFM图像产生畸变。

为了提高AFM的扫描速度，国外研究者曾提出一种音叉扫描型AFM，采用将样品粘在一个可以在X方向共振的音叉上，再将音叉一端与Y方向扫描器固定在一起的方法，实现每幅图像128×128像素的高速扫描成像。这一方法具有一定的新意，不过，由于音叉在X方向振动幅度的不确定性及非线性，使扫描范围及精度难以精确控制，甚至会导致AFM图像在X方向的扭曲或畸变；同时，由于音叉一端与Y方向扫描器固定连接在一起，也必然会与Y方向扫描器之间产生相互耦合干扰和制约，从而造成图像在Y方向的失真或畸变。此外，由于样品需要粘贴在音叉的一个臂上进行高速共振扫描，因此样品的大小和重量必须非常小，从而也大大限制了其性能及实用性。为此，需要克服常规型AFM及音叉扫描型AFM的局限性，研究发展出新型的快速扫描原子力显微检测技术。

本发明提出了一种快速扫描原子力显微检测方法，发展和建立快速扫描原子力显微检测系统。采用X方向独立地快速扫描微探针、Y方向快速扫描样品，并且使Z向负反馈与Y方向扫描正交独立的方法，实现原子力显微检测系统对微纳米样品的快速扫描及显微检测成像。本发明很好地克服了常规型AFM及音叉扫描型AFM的上述局限性，为实现微纳米样品的高速度（如1~10幅图像/秒，而常规型AFM速度一般为10~60分钟1幅图像）、高精度、无畸变的快速扫描与原子力显微检测成像提供了新的技术方法及途径。可广泛应用于微纳米技术的各个领域，进而满足我国在科学技术、国民经济、社会发展及国防等领域的国家需求。

发明内容

本发明的目的是克服常规型AFM及音叉扫描型AFM的局限性，提供一种快速扫描原子力显微检测方法及系统。

快速扫描原子力显微检测方法是采用在X方向独立地快速扫描微探针、在Y方向独立地快速扫描样品并且使Z向负反馈与Y方向扫描正交独立的方法，实现原子力显微检测系统对微纳米样品的快速扫描及快速显微检测成像；利用X方向快速片状扫描器，独立地实现微探针在X方向的快速扫描，并完全避免Y方向的扫描对其造成的制约干扰；同时，利用Y方向快速扫描器，既独立地实现样品的Y方向快速扫描，又完全避免X方向扫描对其造成的制约干扰；此外，X、Y、Z方向的扫描及反馈彼此分离独立或正交独立，能有效地消除因两两耦合干扰而造成的原子力显微图像畸变。

快速扫描原子力显微检测系统包括快速扫描原子力显微检测主体探头、光电流/电压转换放大器、Z向负反馈控制模块、X方向快速扫描控制模块、Y方向快速扫描控制模块、计算机；光电流/电压转换放大器、Z向负反馈控制模块、X方向快速扫描控制模块、Y方向快速扫描控制模块分别与快速扫描原子力显微检测主体探头、计算机连接。

所述的快速扫描原子力显微检测主体探头包括微探针、X方向快速片状扫描器、样品、Z向反馈控制器、凹形块、Y方向快速扫描器、基块、激光器、第一楔形反射镜、集束透镜、第二楔形反射镜、光电偏转探测器、横架、升降主块、导轨、调节机构、立块、底座；微探针安装在X方向快速片状扫描器外端，后者左端固定在升降主块上；样品安装在Z向反馈控制器上，后者下沉式安装在凹形块上；凹形块两侧与Y方向快速扫描器固定，后者另两端固定在基块上；基块安装在底座上；激光器、第一楔形反射镜、集束透镜均固定在横架上；第二楔形块、光电偏转探测器、横架安装在升降主块上；升降主块通过导轨安装在立块上，通过调节机构使升降主块微调升降；立块安装在底座上。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：采用X方向快速片状扫描器扫描微探针，能够独立地实现微探针的X方向快速扫描，并完全避免Y方向的扫描对其造成的制约干扰；同时，采用Y方向快速扫描器扫描样品，既可独立地实现样品的Y方向快速扫描，又能完全避免X方向扫描对其造成的制约干扰；此外，X、Y、Z方向的扫描及反馈彼此分离独立或正交独立，能有效地消除因两两耦合干扰而造成的AFM图像畸变。总之，本发明的快速扫描原子力显微检测方法及系统，克服了常规型AFM与音叉扫描型AFM的局限性，可实现微纳米样品的高速度、高精度、无畸变的快速扫描与原子力显微检测成像。

附图说明

图1是快速扫描原子力显微检测方法及系统示意图；

图2是本发明的快速扫描原子力显微检测主体探头示意图；

图3（a）是本发明的X方向快速片状扫描器及微探针侧视图；

图3（b）是本发明的X方向快速片状扫描器及微探针俯视图；

图4（a）是本发明的Y方向快速扫描器与Z向反馈控制器及样品侧视图；

图4（b）是本发明的Y方向快速扫描器与Z向反馈控制器俯视图；

图中：快速扫描原子力显微检测主体探头1、光电流/电压转换放大器2、Z向负反馈控制模块3、X方向快速扫描控制模块4、Y方向快速扫描控制模块5、计算机6、微探针7、X方向快速片状扫描器8、样品9、Z向反馈控制器10、凹形块11、Y方向快速扫描器12、基块13、激光器14、第一楔形反射镜15、集束透镜16、第二楔形反射镜17、光电偏转探测器18、横架19、升降主块20、导轨21、调节机构22、立块23、底座24。

具体实施方式

快速扫描原子力显微检测方法是采用在X方向独立地快速扫描微探针、在Y方向独立地快速扫描样品并且使Z向负反馈与Y方向扫描正交独立的方法，实现原子力显微检测系统对微纳米样品的快速扫描及快速显微检测成像。利用X方向快速片状扫描器，独立地实现微探针在X方向的快速扫描，并完全避免Y方向的扫描对其造成的制约；利用Y方向快速扫描器，既可独立地实现样品的Y方向快速扫描，又可完全避免X方向扫描对其造成的制约；同时，X、Y、Z方向的扫描及反馈彼此分离独立或正交独立，能有效地消除因两两耦合干扰而造成的原子力显微图像畸变。此外，设计引入由激光器、第一楔形反射镜、集束透镜、第二楔形反射镜、光电偏转探测器等组成的集束光路及光电探测单元。其中，集束透镜将来自微探针和第一楔形反射镜的反射光束集束后，通过第二楔形反射镜反射，投射到光电偏转探测器上，使光电偏转探测器接收到的光束更为集中，从而更精确地实现微探针的纵向（Z方向）偏转量的快速检测；与此同时，集束透镜的设计孔径大于反射光束的直径，借助其集束作用，当微探针在X方向快速扫描时，反射光束始终能被集束透镜接收和集束，从而消除因微探针在X方向的快速扫描而造成的反射光束的偏差。计算机根据X轴和Y轴的快速扫描控制电压信号，以及来自光电偏转探测器的光电流信号或Z向反馈电压信号，快速而又精确地绘制出样品微纳米结构的AFM图像，从而实现微纳米样品的高速度（如1~10幅图像/秒，作为对比，常规型AFM速度一般为10~60分钟1幅图像）、高精度、无畸变的快速扫描与原子力显微检测成像。

如图1所示，快速扫描原子力显微检测系统包括快速扫描原子力显微检测主体探头1、光电流/电压转换放大器2、Z向负反馈控制模块3、X方向快速扫描控制模块4、Y方向快速扫描控制模块5、计算机6；光电流/电压转换放大器2、Z向负反馈控制模块3、X方向快速扫描控制模块4、Y方向快速扫描控制模块5分别与快速扫描原子力显微检测主体探头1、计算机6连接。

如图2所示，快速扫描原子力显微检测主体探头1包括微探针7、X方向快速片状扫描器8、样品9、Z向反馈控制器10、凹形块11、Y方向快速扫描器12、基块13、激光器14、第一楔形反射镜15、集束透镜16、第二楔形反射镜17、光电偏转探测器18、横架19、升降主块20、导轨21、调节机构22、立块23、底座24；微探针7安装在X方向快速片状扫描器8外端，后者左端固定在升降主块20上；样品9安装在Z向反馈控制器10上，后者下沉式安装在凹形块11上；凹形块11两侧与Y方向快速扫描器12固定，后者另两端固定在基块13上；基块13安装在底座24上；激光器14、第一楔形反射镜15、集束透镜16均固定在横架19上；第二楔形块17、光电偏转探测器18、横架19安装在升降主块20上；升降主块20通过导轨21安装在立块23上，通过调节机构22使升降主块20微调升降；立块23安装在底座24上。

光电流/电压转换放大器2与光电偏转探测器18连接，Z向负反馈控制模块3与Z向反馈控制器10连接；X方向快速扫描控制模块4与X方向快速片状扫描器8连接，Y方向快速扫描控制模块5与Y方向快速扫描器12连接。

如图3所示，微探针7安装在X方向快速片状扫描器8外端，X方向快速片状扫描器8左端固定在升降主块20上，在X方向快速扫描控制模块4的控制下，X方向快速片状扫描器8的外端产生X方向的高速偏摆，从而实现微探针在X方向的快速而又独立的扫描。由于X方向快速片状扫描器8与Y方向快速扫描器12及Z向反馈控制器10完全独立，因此不会与后两者之间产生耦合干扰和制约，从而既可保证快速扫描的速度和精度，又可有效地消除图像的畸变。

如图4所示，Y方向快速扫描器12由两个推拉式压电陶瓷构成，在Y方向快速扫描控制模块5的控制下，实现Y方向的快速扫描，进而带动Z向反馈控制器10及样品9在Y方向的快速扫描。由于Z向反馈控制器10下沉式安装在凹形块11上，即Z向反馈控制器10与Y 方向快速扫描器12彼此正交独立，因此它们的扫描和反馈运动不会互相耦合干扰和制约。

本发明很好地克服了常规型AFM及音叉扫描型AFM的局限性，为实现微纳米样品的高速度、高精度、无畸变的快速扫描与原子力显微检测成像提供了新的技术途径。

Claims (3)

1.一种快速扫描原子力显微检测方法，其特征在于采用在X方向独立地快速扫描微探针、在Y方向独立地快速扫描样品并且使Z向负反馈与Y方向扫描正交独立的方法，实现原子力显微检测系统对微纳米样品的快速扫描及快速显微检测成像；利用X方向快速片状扫描器，独立地实现微探针在X方向的快速扫描，并完全避免Y方向的扫描对其造成的制约干扰；同时，利用Y方向快速扫描器，既独立地实现样品的Y方向快速扫描，又完全避免X方向扫描对其造成的制约干扰；此外，X、Y、Z方向的扫描及反馈彼此分离独立或正交独立，能有效地消除因两两耦合干扰而造成的原子力显微图像畸变。

2.一种如权利要求1所述方法设计的快速扫描原子力显微检测系统，其特征在于包括快速扫描原子力显微检测主体探头（1）、光电流/电压转换放大器（2）、Z向负反馈控制模块（3）、X方向快速扫描控制模块（4）、Y方向快速扫描控制模块（5）、计算机（6）；光电流/电压转换放大器（2）、Z向负反馈控制模块（3）、X方向快速扫描控制模块（4）、Y方向快速扫描控制模块（5）分别与快速扫描原子力显微检测主体探头（1）、计算机（6）连接。

3.根据权利要求2所述的一种快速扫描原子力显微检测系统，其特征在于所述的快速扫描原子力显微检测主体探头（1）包括微探针（7）、X方向快速片状扫描器（8）、样品（9）、Z向反馈控制器（10）、凹形块（11）、Y方向快速扫描器（12）、基块（13）、激光器（14）、第一楔形反射镜（15）、集束透镜（16）、第二楔形反射镜（17）、光电偏转探测器（18）、横架（19）、升降主块（20）、导轨（21）、调节机构（22）、立块（23）、底座（24）；微探针（7）安装在X方向快速片状扫描器（8）外端，后者左端固定在升降主块（20）上；样品（9）安装在Z向反馈控制器（10）上，后者下沉式安装在凹形块（11）上；凹形块（11）两侧与Y方向快速扫描器（12）固定，后者另两端固定在基块（13）上；基块（13）安装在底座（24）上；激光器（14）、第一楔形反射镜（15）、集束透镜（16）均固定在横架（19）上；第二楔形块（17）、光电偏转探测器（18）、横架（19）安装在升降主块（20）上；升降主块（20）通过导轨（21）安装在立块（23）上，通过调节机构（22）使升降主块（20）微调升降；立块（23）安装在底座（24）上。