CN106645807B - 一个光电耦合环境可控原子力显微测试系统 - Google Patents

一个光电耦合环境可控原子力显微测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及原子力显微镜领域，尤其是一个光电耦合环境可控原子力显微测试系统。其包括：微悬臂、样品台、激光器、光斑位置检测器、引入光源、精密四维调整装置和控制系统，微悬臂末端具有导电探针；激光器发出激光束经过光学系统聚焦在微悬臂背面；精密四维调整装置使得引入光以与水平面倾斜的方式射于样品顶面的扫描区域上或以垂直于水平面的方式射于样品底面的扫描区域上；控制系统对光斑位置检测器接收的信号及通过导电探针的电信号进行采集处理并生成样品微区形貌和光电学特性信息传送给显示器，由显示器实时显示。它检测环境条件可控，可原位实时检测，各部分独立可控。

Description

一个光电耦合环境可控原子力显微测试系统
技术领域
本发明涉及原子力显微镜领域，尤其是一个光电耦合环境可控原子力显微测试系统。
背景技术
原子力显微镜(AFM)是最强有力的现代表面研究技术之一，AFM主要是通过检测微悬臂上探针尖端原子与样品表面原子之间的相互作用力来探测表面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质的新型表面分析仪器，原子力显微镜应用非常广泛，使用环境非常宽松，但因AFM检测样品种类繁多，各种材料要求条件不同，工作环境难以统一控制，很难满足各种样品分析条件的需求。如果可以做到环境测试条件可控，包括环境湿度、特殊气氛和光激发条件，将会进一步拓展AFM仪器功能应用。
近来为了研究微电子器件的电学传输特性，了解其内部的电荷传输机理信息，产生了许多基于SPM的电学性质研究的技术和仪器，如原子力显微镜电流敏感模式(CSAFM)，开尔文扫描模式(KFM)等技术上可实现对介质微观表面形貌及电学性质的同时检测，但是利用AFM研究纳米尺度电学性质的工作还有许多问题需要解决：如光电信息的获取需要外加微扰电压，目前该类技术尚不能提供光诱导电荷的产生和传输过程，也很难捕捉到微弱的电流信号，不能获取材料的原位实时信息。另外由于空气中水分的存在会在样品上形成水膜，导致在施加电压过程中会电学信息的获取会引入一些误差，同时针尖也很容易被氧化，所以对分析微区纳米形貌，光电性质等是受限的。目前商用仪器通常功能专一性强，难以达到原位和实时检测的要求。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供了一个光电耦合环境可控原子力显微测试系统，它的检测环境条件可控，避免了样品受外界不利因素干扰，可以更准确的获取样品表面信息。可原位实时检测。可以实现原位、实时直观地检测样品微区纳米形貌和光电特性分析。可以实现不加光、加光及不同光强度条件激发下材料的内部光电机制研究。在同等偏压条件下，外光源的引入使得检测光电学信号增强。操作独立，鉴于系统搭建是机械耦合，各种功能的应用与原子力显微镜成像技术有机地融合为一体，但分别是独立可控的，采用的技术方案如下：
一个光电耦合环境可控原子力显微测试系统,其特征在于，包括：
微悬臂，其末端具有导电探针；
样品台，
激光器，其发出激光束经过光学系统聚焦在微悬臂背面；
用于检测由微悬臂背面反射的光斑的位置变化的光斑位置检测器，
引入光源，
精密四维调整装置，其使得引入光源发出的引入光的光斑与导电探针扫描区域对焦，其使得引入光以与水平面倾斜的方式射于样品顶面的扫描区域上或以垂直于水平面的方式射于样品底面的扫描区域上；
控制系统，其对精密四维调整装置、激光器、引入光源进行控制，对光斑位置检测器接收的信号及通过导电探针的电信号进行采集处理并生成样品微区形貌和光电学特性信息传送给显示器，由显示器实时显示。
本发明具有如下优点：
1)检测环境条件可控，避免了样品受外界不利因素干扰，可以更准确的获取样品表面信息。
2)原位实时检测。可以实现原位、实时直观地检测样品微区纳米形貌和光电特性分析。
3)可以实现不加光、加光及不同光强度条件激发下材料的内部光电机制研究。在同等偏压条件下，外光源的引入使得检测光电学信号增强。
4)操作独立，鉴于系统搭建是机械耦合，各种功能的应用与原子力显微镜成像技术有机地融合为一体，但分别是独立可控的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1：实施例1的结构示意图(侧方位引入光模式)；
图2：实施例2的结构示意图(下方位引入光模式)；
图3：(a,b)：电流敏感模式不加外光源和引入光源信息对比图。
图4：(a,b)：开尔文扫描模式不加外光源和引入光源时电学信息图像对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1所示，一个光电耦合环境可控原子力显微测试系统,其特征在于，包括：
微悬臂1，其末端具有导电探针10；
样品台2，
激光器3，其发出激光束经过光学系统聚焦在微悬臂1背面；
用于检测由微悬臂背面反射的光斑的位置变化的光斑位置检测器4，
引入光源5，如采用低功率激光器532，此时不需要使用聚光镜6；
精密四维调整装置8，其使得引入光源5发出的引入光的光斑与导电探针10扫描区域对焦，其使得引入光以与水平面倾斜的方式射于样品顶面的扫描区域上；精密四维调整装置8将引入光通过微米级纤径光纤30将引入光以与水平面倾斜的方式射于样品顶面的扫描区域上；
控制系统9，其对精密四维调整装置8、激光器3、引入光源5进行控制，对光斑位置检测器4的信号及通过导电探针的电信号进行采集处理并生成样品微区形貌和光电学特性信息传送给显示器，由显示器20实时显示。
此处需要说明的是精密四维调整装置8是一种高精密定位工作台，通过齿轮、齿条和螺旋的传动，可实现X、Y、Z轴方向的调节，同时还可进行水平转角以及垂直仰角的调节。精密四维调整装置可采用但不仅限于如下形式实施：参见公开(公告)号：CN 103963032A，名称：“一种大型空间光学遥感器四维调整装置”或http://www.docin.com/p-538293087.html中所述的四维微调工作台。因本申请的新创性并不在于精密四维调整装置，故对精密四维调整装置的具体结构不作详述，只要精密四维调整装置可实现引入光在X、Y、Z轴方向、水平转角及垂直仰角上的精密调节即可。
在一些检测中传统检测方式由于空气中水分的存在会在样品上形成水膜，导致在施加电压过程中会电学信息的获取会引入一些误差，同时导电探针10也很容易被氧化，所以对分析微区纳米形貌，光电性质等是受限的。故优选的，所述微悬臂1、样品台2、激光器3、光斑位置检测器4、引入光源5、聚光镜6和精密四维调整装置8设置于一环境条件可控的与外界可相隔绝的检测空间11内，所述环境条件为真空度、湿度、温度、含氧量、保护气类型(如氩气保护等)中的一种或几种，所述环境条件由控制系统9根据样品检测要求进行控制。
可理解的是检测空间11的形成可以是一个封闭的箱体甚至是一个与外界相对独立、隔绝的实验室，其不受外界环境条件的影响，其内部的环境条件如温度、湿度、真空度、采用的保护气等均是可控的，控制的方式如温度的控制可采用空调等公知并广泛使用的多样的空气加热装置进行实现，在此不一一列举，其它环境条件的控制也是采用公知并广泛使用的装置进行实施，如真空度的调节，可通过在箱体(检测空间)上加载真空泵的方式实施。
优选的，还包括用于调节进入精密四维调整装置8的吸光入光强度的光强调节装置7,其设置于引入光源5和精密四维调整装置8之间。
在该光电耦合环境可控原子力显微测试系统的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用微悬臂来检测原子之间力的变化量。微悬臂通常由一个一般100～500μm长和大约500nm～5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂末端有一个导电探针10，用来检测样品－导电探针10间的相互作用力。
在该光电耦合环境可控原子力显微测试系统的系统中，当导电探针10与样品之间有了交互作用之后，会使得微悬臂1摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为微悬臂1摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠光斑位置检测器4将偏移量记录下并转换成电信号，以供控制系统9作信号处理。
聚焦到微悬臂上面的激光反射到光斑位置检测器4，通过对落在检测器四个象限的光强进行计算，可以得到由于表面形貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到样品表面的不同信息。
在该光电耦合环境可控原子力显微测试系统的系统中，将信号经由光斑位置检测器4取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的样品台2做适当的移动，以使样品与导电探针10之间保持一定的作用力。
该光电耦合环境可控原子力显微测试系统的系统使用压电陶瓷管制作的样品台2精确控制微小的扫描移动。当在压电陶瓷对称的两个端面加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺寸与所加的电压的大小成线性关系。也就是说，可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。通常把三个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三角架的形状，通过控制X，Y方向伸缩达到驱动导电探针10在样品表面扫描的目的；通过控制Z方向压电陶瓷的伸缩达到控制导电探针10与样品之间距离的目的。
在该光电耦合环境可控原子力显微测试系统的系统中，使用微悬臂1来感测导电探针10与样品之间的相互作用，这作用力会使微悬臂摆动，再利用激光将光照射在微悬臂1的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏移量，此时光斑位置检测器4会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。
样品台2上的样本为光电材料，引入光照射在其上后发生电子跃迁，产生微小电流，导电探针10与样品之间以接触方式工作，样品所产生的微小电流通过导电探针10导出传递给控制系统。
实施例2
如图2所示，一个光电耦合环境可控原子力显微测试系统,其特征在于，包括：
微悬臂1，其末端具有导电探针10；
样品台2，
激光器3，其发出激光束经过光学系统聚焦在微悬臂1背面；
用于检测由微悬臂背面反射的光斑的位置变化的光斑位置检测器4，
引入光源5，如可采用卤素灯；
精密四维调整装置8，其使得引入光源5发出的引入光的光斑与导电探针10扫描区域对焦，其使得引入光以垂直于水平面的方式射于样品底面的扫描区域上；此种情况下微米级纤径光纤30可从样品台2底部穿过样品台2，样品台2上的样品由透明玻璃载体和在透明玻璃载体上的光电材料组成，精密四维调整装置8将引入光通过微米级纤径光纤30将引入光以垂直于水平面的方式射于样品底面的扫描区域上；引入光透过透明玻璃载体射于光电材料上，使光电材料发生电子跃迁进而产生微小电流，此种方式可以减小对光斑位置检测器4接收信号的干扰；
用于将引入光源5发出的引入光进行聚焦的聚光镜6，其设于引入光源5和精密四维调整装置8之间；
控制系统9，其对精密四维调整装置8、激光器3、引入光源5进行控制，对光斑位置检测器4的信号及通过导电探针的电信号进行采集处理并生成样品微区形貌和光电学特性信息传送给显示器，由显示器20实时显示。
在一些检测中传统检测方式由于空气中水分的存在会在样品上形成水膜，导致在施加电压过程中会电学信息的获取会引入一些误差，同时导电探针10也很容易被氧化，所以对分析微区纳米形貌，光电性质等是受限的。故优选的，所述微悬臂1、样品台2、激光器3、光斑位置检测器4、引入光源5、聚光镜6和精密四维调整装置8设置于一环境条件可控的与外界可相隔绝的检测空间11内，所述环境条件为真空度、湿度、温度、含氧量、保护气类型(如氩气保护等)中的一种或几种，所述环境条件由控制系统9根据样品检测要求进行控制。
可理解的是检测空间11的形成可以是一个封闭的箱体甚至是一个与外界相对独立、隔绝的实验室，其不受外界环境条件的影响，其内部的环境条件如温度、湿度、真空度、采用的保护气等均是可控的，控制的方式如温度的控制可采用空调等公知并广泛使用的多样的空气加热装置进行实现，在此不一一列举，其它环境条件的控制也是采用公知并广泛使用的装置进行实施，如真空度的调节，可通过在箱体(检测空间)上加载真空泵的方式实施。
如图3(a,b)所示，是原位条件下分别在给样品同等施加负0.5V，不引入光(图3a)和引入时(图3b)的电流敏感模式采集的图像，从纵坐标上可看出，引入光至样本表面时电流信号绝对值比没有加光激发的信号增强了两个数量级。
如图4(a,b)所示，是原位条件下分别在给样品同等施加负0.5V，不引入光(图4a)和引入时(图4b)的开尔文扫描模式采集的图像，从纵坐标上看出，引入光激发样品时表面电势绝对值比没有加光激发的信号增强了数十倍。
本发明就以上提及的优选实施例进行了说明，但并非本发明的范围仅限定于这种实施例，本发明的范围由权利要求书确定，包括属于与本发明均等范围内的多样修订及变形。
需要指出的是，权利要求书中记载的附图符号单纯用于辅助对发明的理解，不对权利范围的解释产生影响，不得根据记载的附图符号缩窄解释权利范畴。

Claims (5)

1.一个光电耦合环境可控原子力显微测试系统,其特征在于，包括：
微悬臂(1)，其末端具有导电探针(10)；
样品台(2)，
激光器(3)，其发出激光束经过光学系统聚焦在微悬臂(1)背面；
用于检测由微悬臂背面反射的光斑的位置变化的光斑位置检测器(4)，引入光源(5),
精密四维调整装置(8)，其使得引入光源(5)发出的引入光的光斑与导电探针(10)扫描区域对焦，其使得引入光以与水平面倾斜的方式射于样品顶面的扫描区域上或以垂直于水平面的方式射于样品底面的扫描区域上；
控制系统(9)，其对精密四维调整装置(8)、激光器(3)、引入光源(5)进行控制，对光斑位置检测器(4)接收的信号及通过导电探针的电信号进行采集处理并生成样品微区形貌和光电学特性信息传送给显示器，由显示器(20)实时显示。
2.根据权利要求1所述的一个光电耦合环境可控原子力显微测试系统，其特征在于：所述微悬臂(1)、样品台(2)、激光器(3)、光斑位置检测器(4)、引入光源(5)和精密四维调整装置(8)设置于一环境条件可控的与外界可相隔绝的检测空间(11)内，所述环境条件为真空度、湿度、温度、含氧量、保护气类型中的一种或几种，所述环境条件由控制系统(9)根据样品检测要求进行控制。
3.根据权利要求1或2所述的一个光电耦合环境可控原子力显微测试系统，其特征在于：还包括用于调节进入精密四维调整装置(8)的吸光入光强度的光强调节装置(7),其设置于引入光源(5)和精密四维调整装置(8)之间。
4.根据权利要求1所述的一个光电耦合环境可控原子力显微测试系统，其特征在于：所述引入光源(5)为激光器或卤素灯。
5.根据权利要求4所述的一个光电耦合环境可控原子力显微测试系统，其特征在于：当引入光源(5)为卤素灯时，所述引入光源(5)和精密四维调整装置(8)之间还设有用于将引入光源(5)发出的引入光进行聚焦的聚光镜(6)。
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