CN107407696B - 与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在纳米切割之后监测物体(18)以及在低温下探究宏观和微观载体的结构的显微镜。所述显微镜包括具有切割边缘的冲头(3)、驱动器(8)和(9)、平台(10)、用于记录样品图像的压电扫描器(15)、具有样品载体(17)的保持器(16)、以及固定有探针(27)的探针单元(25)。压电扫描器(15)被固定至平台(10)，冲头(3)能够与样品相互作用，并且探针单元(25)被安装在平台(10)上。根据本发明，所述显微镜包括对冲头(3)的切割边缘产生机械作用以改变切割表面的模块(35)，所述模块能够与冲头(3)相互作用。

Description

与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜
技术领域
与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜涉及测量装置，特别地涉及在纳米切割之后使用探针监测物体以及在低温条件下探查宏观和微观载体的结构的装置。
背景技术
现有技术中的已知示例是与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜，其包括基座，具有冲头的冲头模块处于所述基座上，所述冲头具有第一切割边缘和相邻的第一表面，所述冲头模块具有位于第一X轴点的第一驱动器和位于第二Y轴点的第二驱动器，该扫描探针显微镜还包括平台，所述平台被安装在基座上并可沿着第三Z轴点移动且与位于第三Z轴点的第三驱动器耦合(连接)，所述第三Z轴点正交于XY轴点的平面，该扫描探针显微镜还包括压电扫描器，该压电扫描器可沿着X、Y及Z轴点移动并具有保持器，该保持器具有容纳物体的物体载体，所述压电扫描器被固定至所述平台，并且所述冲头被布置为能够与所述物体相互作用，该扫描探针显微镜还包括探针单元，探针被固定至所述探针单元，所述探针单元被固定至所述平台并可沿着第一X轴点移动且与位于第一X轴点的第四驱动器耦合(连接)，同时所述探针能够与所述物体相互作用(专利RU2389032。与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜，2010年5月10日)。
上述装置的缺陷在于，带有物体的压电扫描器被固定至灵活地安装在基座上的平台，而具有探针的探针单元也被安装在基座上。这种布置在物体和探针之间产生长的机械“回路”，该机械“回路”包括压电扫描器-平台-基座-探针单元。这增大了机械噪音水平并且降低了探针测量的精确性从而影响了图像质量。
现有技术中的另一示例是与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜，所述示例的技术实质最接近所提出的技术方案，所述显微镜包括基座，具有冲头的冲头模块处于该基座上，该冲头具有第一切割边缘和相邻的第一表面，所述冲头模块具有位于第一X轴点的第一驱动器和位于第二Y轴点的第二驱动器，该扫描探针显微镜还包括安装在基座上的平台，该平台可沿着第三Z轴点移动并且与位于第三Z轴点的第三驱动器耦合(连接)，所述第三Z轴点正交于XY轴点的平面，该扫描探针显微镜还包括压电扫描器，该压电扫描器可沿着X、Y和Z轴点移动并具有保持器，该保持器具有容纳物体的物体载体，所述压电扫描器被固定至所述平台，并且所述冲头被布置为能够与所述物体相互作用，该扫描探针显微镜还包括具有探针保持器的探针单元，探针被固定至该探针保持器，所述探针单元被固定至所述平台并可沿着第三X轴点移动且与位于第一X轴点的第四驱动器耦合(连接)，同时所述探针能够与所述物体相互作用(申请EP2482080。与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜，2011年1月31日)。
上述装置有助于解决所述问题并且减少机械“回路”。在此假定上述装置为所要求保护的解决方案的原型。上述装置的主要缺陷在于缺少对于冲头、物体以及压电扫描器的实时控制措施，这降低了图像质量。
发明内容
本发明的目的在于扩展与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜的功能性能力。
本发明的技术效果是提高了图像质量。
所述技术效果通过将第一机械作用模块引入与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜来实现，所述第一机械作用模块被固定至同一平台并且能够与冲头相互作用，所述与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜包括基座，具有冲头的冲头模块处于该基座上，该冲头具有第一切割边缘和相邻的第一表面，所述冲头模块具有位于第一X轴点的第一驱动器和位于第二Y轴点的第二驱动器，所述与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜还包括平台，所述平台被安装在所述基座上并可沿着第三Z轴点移动且与位于第三Z轴点的第三驱动器耦合(连接)，所述第三Z轴点正交于XY轴点的平面，所述与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜还包括压电扫描器，该压电扫描器可沿着X、Y和Z轴点移动并具有保持器，该保持器具有容纳物体的物体载体，所述压电扫描器被固定至所述平台，并且所述冲头被布置为能够与所述物体相互作用，所述与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜还包括具有探针保持器的探针单元，探针被固定至该探针保持器，所述探针单元被固定至所述平台并可沿着第一X轴点移动且与位于第一X轴点的第四驱动器耦合(连接)，同时所述探针能够与所述物体相互作用，所述与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜具有模块部件的以下布置选项：
选项1-所述第一机械作用模块被安装为能够与所述冲头的第一切割边缘相互作用；
选项2-所述第一机械作用模块被安装为能够与所述冲头的第一表面相互作用；
选项3-所述第一机械作用模块被安装为能够与所述冲头的第一切割边缘和第一表面相互作用；
选项4-至少一个第二机械作用模块被引入，所述模块被安装在所述平台上以便能够与物体模块相互作用；
选项5-所述第二机械作用模块被安装为能够与所述物体相互作用；
选项6-所述第二机械作用模块被安装为能够与所述物体载体相互作用；
选项7-所述第二机械作用模块由柔性材料制成并且被安装为能够与所述压电扫描器相互作用；
选项8-所述第一机械作用模块包括第一加热单元；
选项9-所述第一机械作用模块包括第一压电模块；
选项10-所述第一机械作用模块包括第二切割边缘；
选项11-所述第一机械作用模块包括锐化尖端；
选项12-所述第一机械作用模块包括具有粗糙表面的区域；
选项13-所述第二机械作用模块包括第二加热单元；
选项14-所述第二机械作用模块包括第二压电模块。
选项15-引入固定至所述探针单元的压电单元，在该压电单元上安装探针保持器。
选项16-所述压电单元被布置为能够沿着第一X轴点和第三Z轴点移动。
选项17-所述压电单元被布置为能够沿着第一X轴点和第二Y轴点移动。
选项18-所述压电单元被布置为能够沿着第一X轴点、第二Y轴点和第三Z轴点移动。
选项19-将带有所有部件的基座放置在低温腔室中。
附图说明
本发明的本质进一步通过以下附图阐明：图1-与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜的总图；图1至图5-第一机械作用模块的选项；图6-第二机械作用模块的选项；图7-压电单元操作的选项；图8-显示了将与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜用作低温切片机的一部分的视图。
具体实施方式
参见图1，与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜包括基座1，在所述基座1上固定有具有冲头3的冲头模块2。冲头3包括第一切割边缘4和相邻的第一表面5以及第二表面6。冲头模块2包括位于第一X轴点的第一驱动器8以及位于第二Y轴点的第二驱动器9。与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜还包括安装在基座1上的、可沿着第三Z轴点移动并且与第三驱动器11耦合(连接)的平台10，所述第三驱动器包括位于与XY轴点的平面正交的第三Z轴点的第一推杆12。平台10通过铰链13固定至基座1并且具有取样单元14。与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜还包括压电扫描器15，该压电扫描器15可沿着X、Y和Z轴点移动并且具有保持器16，该保持器16具有容纳包括表面19的物体18的物体载体17。所述压电扫描器使用接合器(适配器)21来固定至平台10，同时冲头3被安装为能够与物体18相互作用。部件15、16、17、18、21是物体模块22。可以使用诸如环氧树脂的胶黏剂将物体18固定至物体载体17。可以使用磁体将物体载体17固定至物体保持器16。为此，保持器16可以例如由钐钴合金来制造。备选方案包括由上述合金(未示出)制成的插入件。物体载体17可以由镍制成。与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜还包括具有探针保持器26的探针单元25，在该探针保持器26内部安装有探针27，所述探针单元25被安装在平台10上，并且可沿着第一X轴点移动且经由第二推杆31与位于第一X轴点的第四驱动器30耦合(连接)，同时探针27能够与物体18相互作用。石英晶体共振器通常被用作探针27。第四驱动器30可以安装在平台10上并且必须确保探针单元25可借助于位于第一沟槽32中的第二推杆31来沿着X轴点在两个相反的方向上移动。本发明的一选项涉及第四驱动器30，该第四驱动器30被固定至基座1并且与探针单元25可操作地耦合(连接)。这可以通过使平台沿着Z轴移动进而从第一沟槽(未示出)中插入和移除第二推杆31来完成。第一机械作用模块35被作为独立的特征引入与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜，所述模块被固定至平台10并且能够与冲头3相互作用。
部件1、2、3、10、11、12、13是在/1，2，3，4/中所述的微型低温切片机的标准部件。部件15、16、17、18、21、22、25、26、27、30、31、32是任意扫描探针显微镜的标准部件并在/1，2/中得以描述。与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜操作(运行)如下。容纳物体18的物体载体17被固定至保持器16。容纳探针27的探针保持器26被固定至探针单元25。使用第三驱动器11将平台10降低至冲头3，并且物体18被切割以形成表面19和切片物体20。随后，使用驱动器11将平台10抬升至最高位置。使用第四驱动器30使探针27接近物体18的表面19。进而，相对于探针27扫描表面19并且使用压电扫描器15测量表面19的表面状态(形貌)。上述部件可以布置如下。
选项1-机械作用模块35被安装为能够与冲头3的第一切割边缘4相互作用。该选项是可执行的，其中通过使用第三驱动器11使平台10沿着Z轴点移动来将第一切割边缘(切割刃)4和第一机械作用模块35定位在同一平面中。进而，使用第一驱动器8将第一切割边缘4和第一机械作用模块35聚拢在一起。当它们(所述第一切割边缘4与所述第一机械作用模块35)相互作用时，切割边缘4可以被改变(修正)以提高其质量，并且因此提高截面和所得图像的质量。
选项2-机械作用模块35被安装为能够与冲头3的第一表面5相互作用。该选项是可执行的，其中通过使用第三驱动器11使平台10沿着Z轴点移动来将第一切割边缘4和第一机械作用模块35定位在不同平面中。进而，使用第一驱动器8将第一表面5和第一机械作用模块35聚拢在一起。当它们(所述第一表面5与所述第一机械作用模块35)相互作用时，第一表面5可以被改变以提高其质量，并且因此提高截面和所得图像的质量。
选项3-机械作用模块35被安装为能够与冲头3的第一切割边缘4和第一表面5相互作用。该选项可执行，其中，例如，在将第一表面5和第一机械作用模块35聚拢在一起之后，使平台10沿着Z轴点移动同时使冲头3沿着X轴点移动，以实现第一机械作用模块35与第一切割边缘4的操作性的相互作用。这使得更易于同时改变冲头的切割边缘4和第一表面5。
选项4-至少一个第二机械作用模块37被引入并安装在平台10上，以便能够与物体模块22相互作用。第一选项涉及在压电扫描器15和冲头3之间(底部位置)固定第二机械作用模块37。第二选项涉及在压电扫描器15相对于冲头3相反的一侧(最高位置)使用接合器固定第二机械作用模块37。第一和第二位置选项二者可以同时使用。
选项5-第二机械作用模块37被安装为能够通过使所述第二机械作用模块37沿着Z轴点和X轴点移动来与物体18相互作用。在第二位置选项中，第二机械作用模块37与物体18的相互作用的可能性允许在切割期间支撑物体18以提高切割的质量和所得图像的质量。
选项6-第二机械作用模块37被安装为能够通过使所述第二机械作用模块37沿着Z轴点和X轴点移动来与物体载体17相互作用。机械作用模块37被安装为能够与物体载体17相互作用的事实允许使所述第二机械作用模块37沿着保持器16的表面移动以使得更易于到达物体18的表面19上的需要区域。从第二机械作用模块37的第二位置选项的确保压电扫描器15在物体18的切割期间保持不动的目的来看，该解决方案还有助于使所述装置更加可靠。
选项7-第二机械作用模块37由弹性材料制成并且被安装为能够通过使所述第二机械作用模块37沿着Z轴点和X轴点移动来与压电扫描器15相互作用。氟橡胶(维通)可以被用作这种弹性材料。该解决方案使得能够在扫描期间调整压电扫描器15的质量因子以提高图像质量。
选项8-参见图2，第一机械作用模块35包括第一加热单元40。阿托斯(Atos)微加热器[5]或珀耳帖(Peltier)元件[6]可以被用作这种加热器。该解决方案使得能够在第一机械作用模块35和冲头3之间发生接触时从冲头移除霜和湿气(水分)以提高切割的质量和所得图像的质量。
选项9-第一机械作用模块35包括第一压电模块45。连接至交流电压电源的压电板可以被用作这种压电模块。该解决方案使得能够在第一机械作用模块35和冲头3之间发生接触时从冲头3移除可能的杂质(污物)以提高切割的质量和所得图像的质量。
选项10-参见图3，第一机械作用模块35包括第二切割边缘50。该解决方案使得能够使用第二切割边缘50将可能已经粘附到第一表面5上的样品切片20分离，以及促进所述样品切片从表面5上移除以提高切割的质量和所得图像的质量。
选项11-参见图4，第一机械作用模块35包括锐化尖端55。该解决方案使得能够捕捉可能已经粘附到第一表面5上的切片20并将所述切片移除以提高切割的质量和所得图像的质量。如果锐化尖端55由诸如聚苯乙烯的弹力有机材料制成并具有0.1-0.3mm的直径，那么可以将杂质直接从第一切割边缘4移除而没有损坏所述第一切割边缘4的风险。
选项12-参见图5，第一机械作用模块35包括具有粗糙表面的区域57。该解决方案使得能够捕捉可能已经粘附到第一表面5上的切片20并且将所述切片20移除(将所述切片20移开)以提高切割的质量和所得图像的质量。如果这种区域57由氟橡胶制成，那么可以将杂质直接从第一切割边缘4移除而没有损坏所述第一切割边缘4的风险。
选项13-参见图6，第二机械作用模块37包括第二加热单元60。该解决方案使得能够在第二机械作用模块37和物体18之间发生接触时从物体移除霜和湿气以提高切割的质量和所得图像的质量。为此，沿着取样器63的表面62使基板61沿着X轴移动。这可以在锁定螺旋沟槽(未示出)中手动地执行。随后，通过使压电扫描器沿着Z轴点倾斜，所述压电扫描器使得第二机械作用模块37的接触元件64与物体18触碰。另一个选项涉及通过使用移动装置65来使第二机械作用模块37的接触元件64和物体18之间发生接触，该移动装置65可以是气动驱动器或压电驱动器。第二机械作用模块37的在图1中示出的第二位置选项(最高位置)未在图6中示出。该选项以类似的方式起作用。
选项14-第二机械作用模块37包括第二压电模块66，该第二压电模块66可以呈连接至交流电压电源的压电板的形式。该解决方案使得能够在第二机械作用模块37和物体18之间发生接触时从物体移除可能的杂质以提高切割的质量和所得图像的质量。
选项15-参见图7，其中所述装置包括压电单元67，该压电单元67被固定至探针单元25，在该压电单元67上安装有探针保持器26。压电单元67可以由压电管制成并且以对称轴线O-O1沿着Z轴点定位的方式安装在探针单元25上。与图1相比，图7显示了推杆31和第二沟槽70的备选视图。由于第二沟槽70将从上方吸引较少(与第一沟槽32相比)的杂质以使得探针和样品18之间的接触更加精确的事实，相对于图1中所示的选项，图7中所示的选项具有略微的优势。
选项16(选项一)-其中压电单元67被布置为能够沿着第一X轴点和第三Z轴点移动(选项一)。该解决方案使得能够在探针单元25上赋予(划定)沿着Z轴点的运动区域68，同时探针保持器26将被安装在沿着X轴点的运动区域69中。
选项17(选项二)-其中压电单元67被布置为能够沿着第二Y轴点和第三Z轴点移动(选项二)。该解决方案使得能够在探针单元25上赋予(划定)沿着Z轴点的运动区域68，同时探针保持器26将被安装在沿着Y轴点的运动区域70中。
选项18(选项三)-其中压电单元67被布置为能够沿着第一X轴点、第二Y轴点以及第三Z轴点移动(选项三)。该解决方案使得能够在探针单元25上赋予(划定)沿着Z轴的运动区域68，同时探针保持器26将被安装在沿着X、Y轴点的运动区域71中。压电单元67的该解决方案在结构上与压电扫描器45相似。在/7/中详细描述了压电单元67的多个选项。这种布置使得能够扫描带有切片20的第一表面5和表面19二者以扩展本发明的功能性。选项一可以通过使用第二驱动器9使冲头沿着Y轴点移动以更仔细地检查第一切割边缘4和第一表面5、及时移除杂质并提高图像质量来补充。选项二允许更详细地检查切片20，例如检查厚度，所述厚度是用于设定切割厚度的重要参数。选项三结合了上述两个选项。应该注意到，如果压电单元67呈其纵向轴线O-O1沿着Z轴点定位的压电管的形式，那么将有助于检查相对于Z轴点倾斜的第一表面5。该效果可以归因于以下事实，即，与正交平面移动(X，Y)相比，压电管一般具有低得多的轴向移动(Z)的范围。
参见图8，所述选项中的一些涉及将与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜放置在低温腔室75内。部件2、11、15、26、37、65被连接至控制单元76。这使得能够切割“软”物体。
参考文献
1.专利RU2389032。与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜，2010年5月10日。
2.申请EP2482080。与用于改变物体表面的装置相结合的扫描探针显微镜，2011年1月31日。
3.专利US5299481。超微切片机的切片机的载体臂密封件，1994年4月5日。
4.专利US2009183613。用于低温切片机的显微操纵器，7月23日(23)。
5.http：//atos.ru.
6.http：//russian.alibaba.com
7.专利RU2248628。多功能压电扫描器以及在探针显微镜中扫描的方法，2005年3月20日。

Claims (20)

1.与用于改变物体(18)的表面(19)的装置相结合的扫描探针显微镜，所述扫描探针显微镜包括：
·基座(1)，其平行于第一坐标(X)和第二坐标(Y)的平面(XY)，
·包括物体(18)的保持器(16)，
·冲头模块(2)，其被布置在所述基座(1)上，
所述冲头模块(2)包括用于沿着第一坐标(X)的移动的第一驱动器(8)，
所述冲头模块(2)包括冲头(3)，所述冲头(3)包括第一切割边缘和与所述第一切割边缘相邻的第一表面(5)，
所述冲头(3)被布置成能够通过切割物体(18)来形成表面(19)，
·带有探针保持器(26)的探针单元(25)，探针(27)被固定至所述探针保持器(26)，
所述探针(27)能够与物体(18)相互作用，
所述探针单元(25)能够沿着第一坐标(X)移动，
所述探针单元(25)与用于沿着第一坐标(X)的移动的第四驱动器(30)耦合，
·安装在所述基座(1)上的平台(10)，
·固定至所述平台(10)的压电扫描器(15)，
所述压电扫描器(15)能够测量所形成的表面(19)的表面状态，
其特征在于，所述压电扫描器(15)包括保持器(16)，
所述保持器(16)包括物体载体(17)，
所述物体载体(17)容纳物体(18)，
所述探针单元(25)被安装至所述平台(10)，
所述压电扫描器(15)能够相对于与物体(18)相互作用的探针(27)扫描所形成的表面(19)，
所述冲头模块(2)包括用于沿着第二坐标(Y)的移动的第二驱动器(9)，
所述平台(10)能够沿着第三坐标(Z)移动，所述第三坐标(Z)与所述平面(XY)正交，
所述平台(10)与用于沿着第三坐标(Z)的移动的第三驱动器(11)耦合，
所述扫描探针显微镜包括固定至所述平台(10)的第一机械作用模块(35)，
所述第一机械作用模块(35)能够与冲头(3)相互作用。
2.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于，所述第一机械作用模块(35)被安装为能够与所述冲头(3)的第一切割边缘相互作用。
3.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于，所述第一机械作用模块(35)被安装为能够与所述冲头(3)的第一表面(5)相互作用。
4.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于，所述第一机械作用模块(35)被安装为能够与所述冲头(3)的第一切割边缘和第一表面(5)相互作用。
5.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于，其包括至少一个第二机械作用模块(37)，所述第二机械作用模块(37)被固定至所述平台(10)以便能够与物体模块(22)相互作用。
6.根据权利要求5所述的扫描探针显微镜，其特征在于，所述第二机械作用模块(37)被安装为能够与所述物体(18)相互作用。
7.根据权利要求5所述的扫描探针显微镜，其特征在于，所述第二机械作用模块(37)被安装为能够与所述物体载体(17)相互作用。
8.根据权利要求5所述的扫描探针显微镜，其特征在于，所述第二机械作用模块(37)由弹性材料制成并且被安装为能够与所述压电扫描器(15)相互作用。
9.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于，所述第一机械作用模块(35)包括第一加热单元(40)。
10.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于，所述第一机械作用模块(35)包括第一压电单元(45)。
11.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于，所述第一机械作用模块(35)包括第二切割边缘(50)。
12.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于，所述第一机械作用模块(35)包括锐化尖端(55)。
13.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于，所述第一机械作用模块(35)包括具有粗糙表面的区域(57)。
14.根据权利要求5所述的扫描探针显微镜，其特征在于，所述第二机械作用模块(37)包括第二加热单元(60)。
15.根据权利要求5所述的扫描探针显微镜，其特征在于，所述第二机械作用模块(37)包括第二压电单元(62)。
16.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于，其包括压电单元(67)，所述压电单元(67)被固定至所述探针单元(25)，所述探针保持器(26)被安装在所述压电单元(67)上。
17.根据权利要求16所述的扫描探针显微镜，其特征在于，所述压电单元(67)被布置为能够沿着第一坐标(X)和第三坐标(Z)移动。
18.根据权利要求16所述的扫描探针显微镜，其特征在于，所述压电单元(67)被布置为能够沿着第一坐标(X)和第二坐标(Y)移动。
19.根据权利要求16所述的扫描探针显微镜，其特征在于，所述压电单元(67)被布置为能够沿着第一坐标(X)、第二坐标(Y)和第三坐标(Z)移动。
20.根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于，具有所有部件的所述基座(1)被放置在低温腔室(75)内。
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