CN108351369B - 扫描探针传感器 - Google Patents

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Abstract

用于扫描探针显微镜(110)的扫描探针传感器(100)包括具有铁磁流体(125)的探针尖端(120)和适于产生作用在铁磁流体(125)上的磁场的磁场发生器(130)。此外，传感器控制器(150)被提供并被配置为控制磁场发生器(130)的一个或多个参数，从而控制流体(125)的形状。

Description

扫描探针传感器
背景技术
本发明涉及一种扫描探针传感器。本发明还涉及相关的扫描探针显微镜，相关的方法和相关的计算机程序产品。
存在多种扫描探针显微镜技术以将样品的表面和电特性成像至纳米级乃至原子级。所有这些技术依赖于扫描探针，扫描探针通常包括尖锐尖端，扫描探针与样品表面紧密相邻或者甚至与样品表面接触，以监测探针与样品之间的相互作用，例如，力或隧道电流。所测量的信号本质上与限定尖端-样品接触的扫描探针的形状(锐度，张开角)有关。通常需要尖锐的尖端才能达到原子级甚至分子间分辨率极限的高空间分辨率。尖锐的扫描探针尖端的制造是具有挑战性的，但通常可以通过目前的电子束光刻实现小于10nm的尖端顶点半径。
然而，在制造过程中，通常不能完全控制尖端顶点的准确形状。在测量前，经常使用扫描电子显微镜(SEM)以更好地描述尖端。表征尖端形状的其他技术基于通过成像明确的已知形貌的表面的反向成像技术和顶点形状的数学重建。如果表面形貌未知，则应用盲重建来量化尖端顶点形状。
尽管存在测量尖端形状的这些可能性，在使用扫描探针显微镜方法进行定量分析中，测量期间残留的不确定性和尖端形状的不断变化仍然是一个挑战。控制和保持尖端形状对于扫描探针测量信号是关键的，这些信号是通过被表征的样本属性和扫描探针尖端本身的属性的卷积而获得的。
动态扫描模式，也被称为非接触式扫描模式，已经被开发来实现几纳米级的高空间分辨率。使用这些操作模式，可以非常精确地控制探针尖端和样本之间的相互作用力。这使得液滴表面成像成为可能。
发明内容
根据第一方面，本发明被实施为用于扫描探针显微镜的扫描探针传感器。扫描探针传感器包括包含铁磁流体的探针尖端。此外，扫描探针传感器包括适于产生作用在铁磁流体上的磁场的磁场发生器。另外，提供了传感器控制器，其被配置为控制磁场发生器的一个或多个参数，从而控制流体的形状。
根据另一方面，提供了一种扫描探针显微镜，其包括根据第一方面的扫描探针传感器。扫描探针显微镜包括样本定位器，其被配置为相对于扫描探针传感器定位样本。此外，扫描探针传感器包括配置成控制样本定位器和扫描探针传感器的系统控制器。
根据另一方面，提供了一种用于操作根据第一方面的扫描探针传感器的方法。该方法包括产生作用在铁磁流体上的磁场的步骤。该方法还包括控制磁场的一个或多个参数的进一步的步骤，从而控制流体的形状。
根据另一方面，提供了一种用于控制根据第一方面的扫描探针传感器的计算机程序产品。该计算机程序产品包括其上存储有程序指令的计算机可读存储介质，所述程序指令可由扫描探针传感器的传感器控制器执行，以使得扫描探针传感器控制磁场发生器的一个或多个参数，从而控制流体的形状。
附图说明
图1示出了包括扫描探针传感器的扫描探针显微镜的框图；
图2示出了具有探针尖端的悬臂，该探针尖端包括铁磁流体和可以通过在铁磁流体上施加磁场而得到的多种尖端形状；
图3示出了包括铁磁流体的探针尖端的三个实施例；
图4示出了由铁磁流体构成的探针尖端的形状的一些示例，其可以通过在铁磁流体上施加磁场而得到；
图5示出了根据本发明实施例的以接触扫描模式操作的扫描探针传感器的探针尖端形状，其中探针尖端与样本具有不同的接触区域尺寸；
图6示出了以接触扫描模式操作的扫描探针传感器的探针尖端的形状和相应的形貌测量信号，其中探针尖端具有不同的形状以对样本表面中的表面沟槽成像；
图7示出了根据本发明另一实施例的包括扫描探针传感器的铁磁性探针尖端的音叉；
图8示出了根据本发明实施例的用于操作扫描探针传感器的方法的方法步骤；以及
图9示出适于操作扫描探针显微镜的计算机系统的实施例的示意性框图。
具体实施方式
铁磁流体(ferromagnetic fluid)，有时也表示为铁磁流体(ferrofluid)，可以定义为在存在磁场时被磁化的液体。铁磁流体包括由悬浮在载体流体中的纳米级铁磁颗粒制成的胶体液体。载体流体可以被实现为，例如，有机溶剂或水。每个颗粒可以涂覆表面活性剂以抑制聚集。颗粒的磁性吸引力足够弱，通过使用表面活性剂可以防止磁性颗粒的聚集。
当铁磁流体经受垂直磁场时，铁磁流体的表面形成峰和谷的规则图案。这种效应被称为正常场不稳定性。不稳定性是由磁场驱动的。这可以通过考虑哪种形状的流体使系统的总能量最小来解释。从磁能的角度来看，山峰和山谷是能量有利的。在波纹结构中，磁场集中在峰值处。由于铁磁流体比空气更容易磁化，所以磁能降低。其结果是，铁磁流体的尖峰将场线排列到空间中，直到所涉及的力达到平衡。
同时山峰和山谷的形成受到重力和表面张力的抵制。其需要花费能量将流体移出谷底并进入尖峰，并且其花费能量来增加流体的表面积。总之，波纹的形成增加了液体的表面自由能和重力能，但降低了磁能。当磁能的减少超过表面和引力能量的增加时，波纹将仅在临界磁场强度之上形成。铁磁流体具有非常高的磁化率，并且例如，可以由一个小条形磁铁实现用于起皱波纹的临界磁场。
图1示出了用于扫描探针显微镜110的扫描探针传感器100。扫描探针传感器100包括探针尖端120。探针尖端120包括铁磁流体125。更具体地，图1中的探针尖端120被实施作为仅由铁磁流体125组成的探针尖端。探针尖端120布置在悬臂140上。悬臂140可以由悬臂定位器145定位，悬臂定位器145被布置在悬臂140的一端。可以以多种方式来实现悬臂140定位器145。根据一个实施例，其可以在Z方向上提供悬臂140的定位。根据其他实施例，其可以在三个方向上，即在X方向、Y方向和Z方向上提供悬臂140的定位。邻近探针尖端120，在悬臂140上布置磁场发生器130。磁场发生器130适于产生作用在铁磁流体125上的磁场。电线圈135可以耦合到未示出的电流源，电流源适于向电线圈135供应电流。流过电线圈135的电流感应出作用在铁磁流体125上的磁场B。特别地，可以使用三个线圈的布置，其中第一线圈的轴布置在X方向上，第二线圈的轴布置在Y方向上，并且第三线圈的轴布置在Z方向上。这允许产生作用在铁磁流体125上的三维磁场B.
磁场发生器130可适于产生恒定磁场B或交变磁场B。作用在探针尖端120上的恒定磁场B导致铁磁流体125的恒定形状。作用在探针尖端120上的交变磁场B导致铁磁流体125的交替或周期性变化的形状。
扫描探针传感器100还包括用于铁磁流体125的储存器160和用于将铁磁流体通过通道167从储存器160泵送到探针尖端120的泵165。可以优选地在悬臂140上布置储存器160，泵165和通道167。扫描探针传感器100还包括传感器控制器150，其被配置为控制磁场发生器130的一个或多个参数。这允许控制铁磁流体125的形状。
根据实施例，扫描探针传感器100被配置为作为参数控制磁场的强度。例如，可以通过改变提供给磁场发生器130的线圈135的电流强度来实现。通常，作用在铁磁流体125上的磁场B越强，探针尖端120越尖锐。
传感器控制器150可以进一步被配置作为参数控制磁场B的一个或多个方向。例如，可以通过控制施加到如上所述的磁场发生器130的第一、第二和第三线圈的电流的强度来实现。通过控制磁场B的一个或多个方向，可以调整和限定探针尖端120的方向。更具体地说，例如，如果提供给在X方向上布置的线圈的电流的强度高于提供给在Y方向和Z方向上的线圈的电流的强度，则铁磁性流体125可以在X方向上移位或倾斜。
扫描探针显微镜110还包括具有样本表面172的样本170，该样本170被提供用于由扫描显微镜110进行扫描。样本170固定在样本定位器175上。提供样本定位器175用于将样本170定位到扫描探针传感器100，更具体地，定位到探针尖端120。可以以多种方式实现样本定位器175。根据一个实施例，其可以在三个方向上，即在X方向、Y方向和Z方向上提供样品170的定位。根据另一个实施例，其可以在两个方向上，即在X方向和Y方向上提供样品170的定位，其中可以由悬臂定位器145提供样品170和探针尖端120之间在Z方向上的相对运动。
扫描探针显微镜110还包括计算机系统180。计算机系统180为用户提供用于操作具有多个用户功能的扫描探针显微镜110的用户界面。例如，可以将计算机系统180实现为参考图9更详细描述的计算机系统。具体地，计算机系统180包括系统控制器185，该系统控制器185被配置为控制包括扫描探针传感器100的扫描探针显微镜110的操作。可以特别地提供系统控制器185用于控制样本定位器175、悬臂定位器145和传感器控制器150。根据另一个实施例，系统控制器185还包括传感器控制器150。换句话说，根据本发明的实施例，可以将传感器控制器150和系统控制器185集成到一个单元中。
根据一个实施例，传感器控制器150被配置为根据铁磁流体125和样本170之间的相互作用来控制铁磁流体125的形状。这允许以多种测量模式操作扫描探针显微镜110并且调整对各个样品-流体相互作用的测量。
本发明的实施例提供了用于控制和保持扫描探针尖端120的形状的技术方案。这有利于扫描探针显微镜110的精确测量。更具体地，由于流体125的受控的形状，尖端的形状120总是被控制并且可以被维护和/或适用于扫描探针显微镜110的各个测量任务/操作。因此，本发明的实施例提供了可以避免由于未知的尖端形状导致的测量信号的卷积的优势。此外，本发明的实施例提供稳定且可靠的尖端形状，其不会遭受(例如，现有技术系统中由多次扫描操作之后的平滑和/或微粒拾取引起的)退化。
图2示出具有探针尖端120的悬臂140，探针尖端120包括铁磁流体和可通过在铁磁流体上施加磁场B而得到的多种尖端形状。如利用第一组尖端形状210所描述的，可以通过增加Z方向上的磁场强度来增加尖端形状的尖锐度。可以通过改变作用在铁磁流体上的磁场B的方向来调整尖端形状的方向或倾斜。在一组尖端形状220中，X方向上的磁场增加，由此将尖端形状从Z方向朝向X方向移位/倾斜。
因此，可以由施加到探针尖端的磁场来调整探针尖端120的形状，并且由于Rosenweig不稳定性，可以预测详细的尖端形状。更具体地，可以作为铁磁流体的体积、表面能量和所施加的磁场的强度的函数来预测可实现的尖端顶点半径。可以实现的最小顶点半径受限于形成铁磁流体的磁性粒子的尺寸(典型尺寸<10nm)和铁磁液体的表面能量。根据本发明的实施例，取决于样品材料，可以使用油基或水基铁磁流体。
根据实施例，可以使用以下等式来估计所需的磁场强度B：
Figure BDA0001655842000000051
其中，B＝磁场强度；Bom＝磁键号码(～25)；μ0＝真空磁导率(4πx 10-7H/m)；Υ＝表面张力(43mN/m，例如，对于水基铁磁流体)；χ(B)＝磁化率(0.75)；Ro＝初始下降半径(例如，1mm)。
作为示例，对于水基铁磁流体，使用对应于app.0.5nl的铁磁性流体的1μm的初始下落半径的100nm的探针尖端曲率半径，需要1.3421特斯拉(Tesla)的磁场，并且对于假设20mN/m的表面张力的油基铁磁流体，需要小于1特斯拉。
图3示出了探针尖端的三个不同的实施例。第一探针尖端310仅由铁磁流体125组成。这对应于参照图1所述的探针尖端120的实施例。该实施例为多种尖端形状提供增强级别的自由度，并且独立于核心或载体结构。另一个探针尖端320被实施为由铁磁流体125围绕的固体心325。固体心325为探针尖端320提供稳定的支撑。此外，它限制了产生探针尖端所需的铁磁流体125的量。另一个探针尖端330被实施为包括用于铁磁流体125的通道337的固体载体结构335。这种固体载体结构335为探针尖端330提供了稳定的支撑。此外，它限制了产生探针尖端330所需的铁磁流体125的量。
图4示出了由铁磁流体组成的探针尖端120的形状的一些示例，可以通过在铁磁流体上施加磁场而得到该这些形状。第一形状401示出了可以在没有作用在铁磁流体上的磁场B的情况下形成的相当圆形的液滴。可以通过在铁磁流体上沿负Z方向施加磁场B而形成另一个形状402。可以通过在铁磁流体上沿负Z方向施加比施加到尖端形状402的磁场更强的的磁场B来形成另一个形状403。
根据一个实施例，改变或修改探针尖端的形状(例如，在图4的形状401和形状402之间)的时间尺度可以是10毫秒或更少。这允许在扫描探针显微镜110的操作期间动态调整尖端形状。
根据一个实施例，扫描探针传感器100被配置成以非接触式扫描模式操作。这有利于探针尖端120的完整性。而且，这样的实施例可以防止由于样本受毛细管力的作用形成液体弯液面。这样的实施例允许执行典型的原子力显微镜(AFM)测量。在典型的原子力显微镜操作中，探针尖端有时会意外地比预期更强地干扰样品。通过使用根据本发明的实施例的包括铁磁流体的尖端，尖端形状可以响应于所施加的磁场立即恢复。这避免了现有技术系统中的损坏和/或污染的尖端。
根据一些实施例，传感器控制器150被配置为控制磁场发生器130的一个或多个参数，使得铁磁流体125的形状周期性地改变。这可以提供动态模式操作，并促进探针尖端120和样本170的表面172之间的周期性相互作用的激励。可以通过由磁场发生器130提供作用在铁磁流体125上的周期性振荡的磁场来实现铁磁性流体125的形状的周期性变化。产生可以通过向磁场发生器130的线圈135提供交流AC电流来实现这种周期性振荡磁场。通过提供周期性变化的尖端形状，可以实现一种简单且可靠的方式来激发周期性尖端-可以实现样品表面相互作用。
根据实施例，可以使用多个激励频率以允许多个同时的测量，例如，形貌和静电力测量。根据其他实施例，扫描探针传感器100被配置成以接触扫描模式操作。根据这样的实施例，探针尖端120可以与样本170进行更强的机械接触。
可以使用这种接触扫描模式来执行利用探针尖端120和样本170之间的接触的测量。例如，其可以是在扫描热显微镜中使用的探针尖端120与样本170之间的热传递。此外，其可以是在摩擦力显微镜中使用的探针尖端120与样品170之间的摩擦力，或者是在扩展电阻或扫描电导显微镜中使用的探针尖端120与样品170之间的电子传输。
如参照图5所示，根据接触扫描模式的实施例，扫描探针传感器100的传感器控制器150被配置为控制磁场发生器130的一个或多个参数，这样流体125和样本170之间的接触区域的尺寸是动态调整的。在接触扫描模式的实施例中，探针尖端120与样本表面172之间的接触区域的尺寸是可以用来量化测量的数据的参数。因此，这样的实施例允许提取关于所测量的属性的信息，例如，分别取决于接触区域的接触直径或尺寸的传输属性的固有长度尺度和探测深度的变化。
根据本发明的实施例，为了收集关于这些属性的信息，接触区域的大小可以以可靠且通用的方式变化。此外，本发明的实施例允许通过在探针尖端的铁磁流体上施加适当的磁场来以一个或更多的数量级改变测量中的接触直径。
通过使用铁磁流体尖端120，接触几何形状受到通过接触角度的表面能的影响。这可以使用感应到铁磁流体125中的磁力来修改。可以动态地调节最后的探针尖端-样本表面接触尺寸或接触半径。图5示出了具有三种不同尺寸的流体125与样品170之间的接触面积的三种不同形状的铁磁流体125。第一形状511提供具有相对较大尺寸的接触区域501。大接触区域501对应于探针尖端120中的大测量信号521。第二形状512提供具有中等尺寸的接触区域502。中等大小的接触区域502对应于探针尖端120中的中等测量信号522。第三形状513提供具有小尺寸的接触区域503。小尺寸的接触区域503对应于探针尖端120中的小的测量信号523。
根据参考图6所描述的进一步实施例，扫描探针传感器100并且更具体地传感器控制器150被配置为控制磁场发生器130的一个或多个参数，使得提供多个预定义的尖端形状。利用这样的实施例，例如，可以考虑对于在现有技术的AFM形貌测量中观察到的典型的卷积特征。根据实施例，可以通过以两个或更多个预定形状扫描相同的样本表面或样本表面的相同特征来重建样本表面的真实形貌。
在图6的实施例中，提供包括沟槽620的样本170。具有相当平坦尖端的探针尖端120的第一形状601不能进入沟槽620。因此，扫描探针显微镜的相应测量信号610是相当小。具有更尖锐尖端的探针尖端120的第二形状602可以稍微进入沟槽620。因此，扫描探针显微镜的相应测量信号610大于由第一形状601提供的测量信号。探针尖端120的第三形状603非常尖锐，使得尖端可以进入沟槽620直到底部。因此，扫描探针显微镜的相应测量信号610大于由第一形状601和第二形状602提供的测量信号。
根据另一个实施例，铁磁流体125是导电的，并且扫描探针传感器100被配置为执行与铁磁流体125内的电传输有关的电测量。这允许执行导电AFM或扫描扩展电阻显微镜或扫描隧道显微镜。
一般来说，油基铁磁流体的电阻相当高，在每厘米1010欧姆的范围内，因此几乎是绝缘的。根据实施例，使用如4,604,229号美国专利中所述的铁磁流体组合物。在此通过引用将4,604,229号美国专利并入本文。根据该实施例，导电铁磁流体组合物可以基本上由以下组成：非挥发性液体载体；数量足以向磁性流体组合物提供磁性的胶体大小的单域磁性颗粒；数量足以向铁磁流体组合物提供导电性能的胶体大小的导电碳颗粒；和数量足以使胶态磁性和导电碳颗粒分散和稳定在液体载体中的分散剂，其。
通过使用这种组合物，铁磁流体可以变成导电到100欧姆.厘米的点。这对于执行电测量(例如导电AFM或扫描扩展电阻显微镜)是足够的。
具有带有导电铁磁流体的探针尖端的本发明的实施例还可以支持将探针尖端用作局部焊接探针的尝试，使得通过施加受控的电脉冲，可以减少纳米材料(例如碳纳米管，纳米线，2D材料)和它们各自的接触金属的接触电阻。利用根据本发明实施例的包括铁磁流体的探针尖端，可以将在探针尖端和样本之间相互作用的力控制到最佳水平，并且这样实施的尖端的寿命可以显着高于常规导电AFM尖端的寿命。
图7示出了包括音叉710的本发明的另一个实施例。在该实施例中，探针尖端120被布置在音叉710上而不是悬臂上。在具有音叉的扫描探针显微镜系统上提供探针尖端120提供与具有悬臂的扫描探针系统类似的优点。
根据本发明实施例的包含铁磁流体的探针尖端可以具体地有利于扫描尺寸减小的生物材料的探针显微镜，包括锚定在表面上的单个细菌细胞以及长链基因组分子，例如ss-DNA和RNA。这种探针尖端可以提供超过常规硬质氮化硅尖端的优点是能够忠实再现所研究的生物材料的实际表面和拓扑结构，而不会引起破裂或刺穿细胞衬里。根据这样的实施例，可以提供具有高横向分辨率的生物材料的非介入性和无标签分析。
图8示出了根据本发明实施例的用于操作扫描探针传感器的方法的方法步骤。
如框800所示，扫描探针操作开始。如框810所示，磁场发生器130产生作用在铁磁流体125上的磁场B。如方框820所示，样本定位器175相对于探针尖端定位样本170。如方框830所示，流体-样品相互作用被测量为扫描探针测量信号。如框840所示，控制磁场发生器130的一个或多个参数，从而控制铁磁流体125的形状。具体地，根据流体125和块样本170之间的相互作用来控制流体125的形状如在步骤830中所测量的扫描探针测量信号所提供的。框810、820、830和840以迭代的方式被重复。最后，如框850所示，扫描探针操作结束。
本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括其上具有用于使处理器执行本发明的各方面的计算机可读程序指令的计算机可读存储介质。
本发明尤其可以实施为用于控制扫描探针传感器100的计算机程序产品。例如，该计算机程序产品可以被加载进入传感器控制器150。计算机程序产品具有计算机可读存储介质，其上存储有可由扫描探针传感器100的传感器控制器150执行的程序指令，以使得扫描探针传感器100控制由磁场发生器130产生的磁场的一个或多个参数，从而控制铁磁流体125的形状。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是，但不限于，电子存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或上述的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的示例(非穷举的列表)包括：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备，例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或通过电线传输的电信号。
这里描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络，例如因特网，局域网，广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光传输光纤、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备内的计算机可读存储介质中。
用于执行本发明的操作的计算机可读程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码，固件指令、状态设置数据、或以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言，诸如Smalltalk，C++等，以及传统的过程式编程语言，诸如“C”编程语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全在用户计算机上执行、部分在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行，部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情形中，远程计算机可以通过任何类型的网络(包括局域网(LAN)或广域网(WAN))连接到用户的计算机，或者可以连接到外部计算机(例如，利用互联网服务提供商)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。
在此参考根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图中的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合，都可以由计算机可读程序指令来实现。
这些计算机可读程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机的处理器或其他可编程数据处理装置执行时，产生了实现流程图和/或框图的一个或多个框中规定的功能/动作的装置。也可以将这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理设备和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读存储介质包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。
也可以将计算机可读程序指令加载到计算机、其他可编程数据处理设备或其他设备上，以使得在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其他可编程装置、或其他设备上执行的指令实现在流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作。
附图中的流程图和框图图示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。就这一点而言，流程图或框图中的每个框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包括一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在一些替代实施方式中，方框中所标注的功能可以不按照附图中标注的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能，连续示出的两个框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以以相反的顺序执行。还要注意的是，框图和/或流程图中的每个框、以及框图和/或流程图中的框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件和计算机指令的组合来实现。
图9示出了适于操作扫描探针显微镜的计算机系统(例如，参考图1所描述的计算机系统180)的实施例的示意性框图。
计算机化的设备可以适当地设计用于实现如本文所述的本发明的实施例。如本文所述的用于操作扫描探针传感器和扫描探针显微镜的方法可以以软件(例如，固件)、硬件、或其组合来实现。在示例性实施例中，本文描述的方法以软件实现，作为可执行程序，由合适的数字处理设备执行该可执行程序。
例如，图9中描述的系统900示意性地代表计算机901，例如通用计算机。在示例性实施例中，就硬件体系结构而言，如图9所示，计算机901包括处理器905、耦合到存储器控制器915的存储器910、以及通过通信地经由本地输入/输出控制器935耦合的一个或多个输入和/或输出(I/O)设备940、945、950、955(或外围设备)。如本领域已知的，输入/输出控制器935可以是但不限于一个或多个总线或其他有线或无线连接。输入/输出控制器935可以具有额外的元件，例如控制器、缓冲器(缓存)、驱动器、中继器和接收器，以便实现通信，为了简单起见省略了这些额外的元件。此外，本地接口可以包括地址、控制和/或数据连接，以实现上述组件之间的适当的通信。
处理器905是用于执行软件的硬件设备，特别是存储在存储器910中的软件。处理器905可以是任何定制的或商业上可用的处理器、中央处理单元(CPU)、与计算机901相关联的若干处理器中的辅助处理器、基于半导体的微处理器(以微芯片或芯片组的形式)、或通常用于执行软件指令的任何设备。
存储器910可以包括易失性存储器元件(例如，随机存取存储器)和非易失性存储器元件中的任意一个或其组合。此外，存储器910可以包含电子、磁性，光学、和/或其他类型的存储介质。注意到存储器910可以具有分布式架构，其中各个部件彼此远离地定位，但是可以被处理器905访问。
存储器910中的软件可以包括一个或多个单独的程序，每个程序包括用于实现逻辑功能的可执行指令的有序列表。在图9的例子中，存储器910中的软件包括根据示例性实施例在此描述的方法和合适的操作系统(Operating System，OS)911。OS 911实质上控制其他计算机程序的执行，例如本文所述的方法，并且提供调度、输入输出控制、文件和数据管理、存储器管理、以及通信控制和相关服务。
这里描述的方法可以是源程序、可执行程序(目标代码)、脚本、或包括要执行的一组指令的任何其他实体的形式。当处于源程序形式时，则程序需要经由本身已知的编译器、汇编器、解释器等来转译，所述编译器、汇编器、解释器等可以包含或不包含在存储器910内，以便合适地连接到OS 911。此外，这些方法可以被编写为具有数据和方法类的面向对象编程语言，或者被编写为具有例程、子例程和/或功能的过程编程语言。
可能地，传统的键盘950和鼠标955可以耦合到输入/输出控制器935(如果需要的话，特别是针对BS)。其他I/O设备940-955可以包括传感器(特别是在网络元件的情况下)，即对诸如温度或压力(要被监视的物理数据)的物理条件的变化产生可测量的响应的硬件设备。典型地，由传感器产生的模拟信号通过模数转换器被数字化并被发送到控制器935以供进一步处理。传感器节点非常小，消耗的能量低，其是自主的，无人值守地运行。
另外，I/O设备940-955可以进一步包括传送输入和输出两者的设备。系统900还可以包括耦合到显示器940的显示器控制器925。在示例性实施例中，系统900还可以包括用于耦合到网络965的网络接口或收发器960。
网络965在计算机901和外部系统之间发送和接收数据。网络965可能以无线方式实现，例如使用无线协议和技术，诸如WiFi，WiMax等。网络965可以是固定无线网络、无线局域网(wireless local area network，LAN)、无线广域网络(wireless wide areanetwork，WAN)、个人域网络(personal area network，PAN)，虚拟专用网络(VPN)、内联网或其他合适的网络系统，并且包括用于接收和发送信号的设备。
网络965也可以是基于IP的网络，用于通过宽带连接在计算机901与任何外部服务器、客户端等之间进行通信。在示例性实施例中，网络965可以是由服务提供商管理的受管IP网络此外，网络965可以是分组交换网络，例如LAN、WAN、因特网等
如果计算机901是PC、工作站、智能设备等，则存储器910中的软件还可以包括基本输入输出系统(basic input output system，BIOS)。BIOS被存储在ROM中，使得当计算机901被激活时可以执行BIOS。
当计算机901处于运行中时，处理器905被配置为执行存储在存储器910内的软件、将数据传送到存储器910和从存储器910传送数据、并且根据软件总体上控制计算机901的运行。这里描述的方法和OS 911全部或部分地被处理器905读取，通常被缓存在处理器905中，然后被执行。当以软件实施本文所述的方法时，可将方法存储在任何计算机可读媒体(例如存储920)上以供任何计算机相关的系统或方法使用或与其结合使用。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (58)

1.一种用于扫描探针显微镜的扫描探针传感器，所述扫描探针传感器包括：
包括铁磁流体的探针尖端；
适于产生作用在所述铁磁流体上的磁场的磁场发生器；以及
传感器控制器，所述传感器控制器被配置为控制所述磁场发生器的一个或多个参数，由此控制所述流体的形状。
2.根据权利要求1所述的扫描探针传感器，其中，所述传感器控制器被配置为根据所述流体和样本之间的相互作用来控制所述流体的形状。
3.根据权利要求1所述的扫描探针传感器，其中所述传感器控制器被配置为控制所述磁场的强度。
4.根据权利要求2所述的扫描探针传感器，其中所述传感器控制器被配置为控制所述磁场的强度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的扫描探针传感器，其中所述传感器控制器被配置为控制所述磁场的一个或多个方向。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的扫描探针传感器，所述探针尖端包括被所述铁磁流体包围的固体心。
7.根据权利要求5所述的扫描探针传感器，所述探针尖端包括被所述铁磁流体包围的固体心。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的扫描探针传感器，所述探针尖端包括固体载体结构，所述固体载体结构包括用于所述铁磁流体的通道。
9.根据权利要求5所述的扫描探针传感器，所述探针尖端包括固体载体结构，所述固体载体结构包括用于所述铁磁流体的通道。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的扫描探针传感器，所述探针尖端由所述铁磁流体构成。
11.根据权利要求5所述的扫描探针传感器，所述探针尖端由所述铁磁流体构成。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的扫描探针传感器，所述扫描探针传感器包括：
用于所述铁磁流体的储存器；以及
用于将所述铁磁流体从所述储存器泵送到所述探针尖端的泵。
13.根据权利要求5所述的扫描探针传感器，所述扫描探针传感器包括：
用于所述铁磁流体的储存器；以及
用于将所述铁磁流体从所述储存器泵送到所述探针尖端的泵。
14.根据权利要求6所述的扫描探针传感器，所述扫描探针传感器包括：
用于所述铁磁流体的储存器；以及
用于将所述铁磁流体从所述储存器泵送到所述探针尖端的泵。
15.根据权利要求7所述的扫描探针传感器，所述扫描探针传感器包括：
用于所述铁磁流体的储存器；以及
用于将所述铁磁流体从所述储存器泵送到所述探针尖端的泵。
16.根据权利要求8所述的扫描探针传感器，所述扫描探针传感器包括：
用于所述铁磁流体的储存器；以及
用于将所述铁磁流体从所述储存器泵送到所述探针尖端的泵。
17.根据权利要求9所述的扫描探针传感器，所述扫描探针传感器包括：
用于所述铁磁流体的储存器；以及
用于将所述铁磁流体从所述储存器泵送到所述探针尖端的泵。
18.根据权利要求1至4中任一项所述的扫描探针传感器，其中所述扫描探针传感器被配置为以非接触式扫描模式运行。
19.根据权利要求5所述的扫描探针传感器，其中所述扫描探针传感器被配置为以非接触式扫描模式运行。
20.根据权利要求6所述的扫描探针传感器，其中所述扫描探针传感器被配置为以非接触式扫描模式运行。
21.根据权利要求7所述的扫描探针传感器，其中所述扫描探针传感器被配置为以非接触式扫描模式运行。
22.根据权利要求8所述的扫描探针传感器，其中所述扫描探针传感器被配置为以非接触式扫描模式运行。
23.根据权利要求9所述的扫描探针传感器，其中所述扫描探针传感器被配置为以非接触式扫描模式运行。
24.根据权利要求10所述的扫描探针传感器，其中所述扫描探针传感器被配置为以非接触式扫描模式运行。
25.根据权利要求11所述的扫描探针传感器，其中所述扫描探针传感器被配置为以非接触式扫描模式运行。
26.根据权利要求12所述的扫描探针传感器，其中所述扫描探针传感器被配置为以非接触式扫描模式运行。
27.根据权利要求13所述的扫描探针传感器，其中所述扫描探针传感器被配置为以非接触式扫描模式运行。
28.根据权利要求14所述的扫描探针传感器，其中所述扫描探针传感器被配置为以非接触式扫描模式运行。
29.根据权利要求15所述的扫描探针传感器，其中所述扫描探针传感器被配置为以非接触式扫描模式运行。
30.根据权利要求18所述的扫描探针传感器，其中所述传感器控制器被配置为控制所述磁场发生器的所述一个或多个参数，使得所述流体的形状周期性地改变。
31.根据权利要求19所述的扫描探针传感器，其中所述传感器控制器被配置为控制所述磁场发生器的所述一个或多个参数，使得所述流体的形状周期性地改变。
32.根据权利要求20所述的扫描探针传感器，其中所述传感器控制器被配置为控制所述磁场发生器的所述一个或多个参数，使得所述流体的形状周期性地改变。
33.根据权利要求1至4中任一项所述的扫描探针传感器，其中所述扫描探针传感器被配置为以接触扫描模式运行。
34.根据权利要求5所述的扫描探针传感器，其中所述扫描探针传感器被配置为以接触扫描模式运行。
35.根据权利要求6所述的扫描探针传感器，其中所述扫描探针传感器被配置为以接触扫描模式运行。
36.根据权利要求33所述的扫描探针传感器，其中所述传感器控制器被配置为控制所述磁场发生器的所述一个或多个参数，使得所述流体与样本之间的接触区域的大小被动态地调整。
37.根据权利要求34所述的扫描探针传感器，其中所述传感器控制器被配置为控制所述磁场发生器的所述一个或多个参数，使得所述流体与样本之间的接触区域的大小被动态地调整。
38.根据权利要求35所述的扫描探针传感器，其中所述传感器控制器被配置为控制所述磁场发生器的所述一个或多个参数，使得所述流体与样本之间的接触区域的大小被动态地调整。
39.根据权利要求1至4中任一项所述的扫描探针传感器，其中，所述铁磁流体是导电的，并且所述扫描探针传感器被配置为执行与所述流体内的电传输相关的电测量。
40.根据权利要求5所述的扫描探针传感器，其中，所述铁磁流体是导电的，并且所述扫描探针传感器被配置为执行与所述流体内的电传输相关的电测量。
41.根据权利要求6所述的扫描探针传感器，其中，所述铁磁流体是导电的，并且所述扫描探针传感器被配置为执行与所述流体内的电传输相关的电测量。
42.根据权利要求1至4中任一项所述的扫描探针传感器，其中，所述传感器控制器被配置为控制所述磁场发生器的所述一个或多个参数，以便提供多个预定义的尖端形状。
43.根据权利要求5所述的扫描探针传感器，其中，所述传感器控制器被配置为控制所述磁场发生器的所述一个或多个参数，以便提供多个预定义的尖端形状。
44.根据权利要求6所述的扫描探针传感器，其中，所述传感器控制器被配置为控制所述磁场发生器的所述一个或多个参数，以便提供多个预定义的尖端形状。
45.根据权利要求39所述的扫描探针传感器，其中，所述传感器控制器被配置为控制所述磁场发生器的所述一个或多个参数，以便提供多个预定义的尖端形状。
46.根据权利要求1至4中任一项所述的扫描探针传感器，所述扫描探针传感器包括悬臂，其中所述探针尖端被布置在所述悬臂上。
47.根据权利要求5所述的扫描探针传感器，所述扫描探针传感器包括悬臂，其中所述探针尖端被布置在所述悬臂上。
48.根据权利要求6所述的扫描探针传感器，所述扫描探针传感器包括悬臂，其中所述探针尖端被布置在所述悬臂上。
49.根据权利要求42所述的扫描探针传感器，所述扫描探针传感器包括悬臂，其中所述探针尖端被布置在所述悬臂上。
50.根据权利要求1至4中任一项所述的扫描探针传感器，所述扫描探针传感器包括音叉，其中所述探针尖端被布置在所述音叉上。
51.根据权利要求5所述的扫描探针传感器，所述扫描探针传感器包括音叉，其中所述探针尖端被布置在所述音叉上。
52.根据权利要求6所述的扫描探针传感器，所述扫描探针传感器包括音叉，其中所述探针尖端被布置在所述音叉上。
53.根据权利要求42所述的扫描探针传感器，所述扫描探针传感器包括音叉，其中所述探针尖端被布置在所述音叉上。
54.一种扫描探针显微镜，包括：
扫描探针传感器，所述扫描探针传感器包括：
包括铁磁流体的探针尖端；
适于产生作用在所述铁磁流体上的磁场的磁场发生器；以及
传感器控制器，所述传感器控制器被配置为控制磁场发生器的一个或多个参数，由此控制所述流体的形状；
样本定位器，所述样本定位器被配置为相对于所述扫描探针传感器定位样本；以及
系统控制器，所述系统控制器被配置为控制所述样本定位器和所述扫描探针传感器。
55.根据权利要求54所述的扫描探针显微镜，其中，所述传感器控制器被配置为根据所述流体和样品之间的相互作用来控制所述流体的形状。
56.根据权利要求54所述的扫描探针显微镜，其中所述传感器控制器被配置为控制所述磁场的强度。
57.根据权利要求55所述的扫描探针显微镜，其中所述传感器控制器被配置为控制所述磁场的强度。
58.根据权利要求54至57中任一项所述的扫描探针显微镜，其中所述传感器控制器被配置为控制所述磁场的一个或多个方向。
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