CN109212266A - 原子力显微镜探针光热激发及弯曲探测装置和探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种原子力显微镜探针光热激发及弯曲探测装置和探测方法，夹持装置固定住把双层探针使其水平，激光器发出等于探针固有频率的激光经过校准变为平行光，倾斜入射聚焦物镜，聚焦后的光斑照射到探针上表面的金属薄膜，产生热振动；探测激光器发出的恒定激光也由聚焦物镜进行聚焦，聚焦后的光斑照射到探针前端的上表面，在上表面发生全反射，将探针探测的信号通过反射后的光束进入到四象限探测器中被探测。由于把激发激光器、探测激光器、聚焦透镜以及探针夹持工具集成到一个装置中，调节聚焦也只需调节一个物件，保证了作为激发振动的激光束与探测用的激光束的位置是固定的，也保证了系统的可靠性与各系统的稳定性。

Description

原子力显微镜探针光热激发及弯曲探测装置和探测方法

技术领域

本发明涉及一种检测技术，特别涉及一种原子力显微镜探针光热激发及弯曲探测装置和探测方法。

背景技术

随着时代的进步、科学技术的快速发展和先进生产力的需要，许多研究内容已经从之前的宏观世界转移到微观世界中。在探索微观世界的过程中，最常用、最重要的工具就是显微镜。普通光学显微镜的分辨力一般是微米级的，而且观察的图像也常常是二维平面图，很难对被测物的表面形貌和结构进行深入的观察、测量、分析和研究。以往对许多微小结构的变化过程和工作状态的研究只能通过观察前后图像的变化以及相关关系来推测其中的过程，为弥补普通光学显微镜的不足，以及为了观察、测量、分析小于微米尺度甚至达到纳米尺度的物体，国外相关研究机构于1965年发明了扫描电子显微镜(SEM)，1982年IBM公司的苏黎世实验室研制出了扫描隧道显微镜(STM)，这是第一种扫描探针式的显微镜。然而，由于原理所限，隧道扫描显微镜只能观察导体和半导体的表面形貌，对于非导电体的材料需要覆盖一层金属导电薄膜，但是由于导电薄膜的性质、薄膜厚度、颗粒大小无法保证完全一致，所以观察得到的物体表面形貌和实际形貌会有所差别，影响观察效果。

为了克服以上显微镜的不足，1986年原子力显微镜(AFM)问世。它通过探针针尖与材料表面之间的振动接触来绘制出物体表面的形貌图。要使探针产生共振，主要采用外部场能激励的方法，主要有声波激励法、静电激励法、磁激励法、压电陶瓷激励法。而本发明把激光的光热效应作为激励方法。与其他激励方法相比，光热激励法有着非常明显的技术优势。例如：可以实现无接触测量，无损伤探测、测量精度高、不受外界电磁环境的干扰、无漏电现象而且可以工作在一些特种环境中，尤其是在易燃易爆环境中也可以安全工作。

现在市售的原子力显微镜大多采用的是压电陶瓷激励探针振动的方式。寻找共振频率的方法通常是观察探针的振幅，当振幅最大时即认为达到共振频率。当采用压电陶瓷激励时，压电陶瓷自身有一个共振频率，当外界再施加一定频率的激励时，两种振动频率叠加，就会出现多个共振峰，所以需要在整个频率范围内不断调整频率、不断观察振幅，以寻找和探针匹配的振动频率。由于多个共振峰的存在，在调试的过程中过大或过小的振动频率、幅度可能会对探针结构造成损坏。而光热激发方式由于只有一个共振峰，与探针的动力学模型一致，使得探针的反馈控制更加方便准确。

发明内容

本发明是针对压电陶瓷激发方式的不足的问题，提出了一种原子力显微镜探针光热激发及弯曲探测装置和探测方法，一种高效的振动激发方式。把激发激光与探测激光集成在一起，形成一个激发探测一体化的装置，大大简化了调节激光光斑位置、光斑大小、探针位置的过程。

本发明的技术方案为：一种原子力显微镜探针光热激发及弯曲探测装置，夹持装置固定住把双层探针，使得探针水平，激光器发出的激光经过第一准直器变为平行光，平行光倾斜入射聚焦物镜，聚焦后的光斑照射到探针上表面的金属薄膜，产生热振动，激光器发出的激光为以正弦变化的激光，激光频率等于探针的固有频率；探测激光器发出的恒定的激光经过第二准直器输出平行光，由聚焦物镜进行聚焦，聚焦后的光斑照射到探针前端的上表面，在上表面发生全反射，将探针探测的信号通过反射后的光束进入到四象限探测器中被探测。

所述双层探针上层为金属薄膜层，下层为氮化硅基底。

所述金属薄膜层为在氮化硅基底上镀一层高光能吸收系数、低比热容、高热膨胀系数及高反射率的材料形成。

一种原子力显微镜探针光热激发及弯曲探测装置的探测方法，首先打开激发激光器和探测激光器，激发激光经过第一准直器变为一束不带发散角的平行光经过聚焦透镜在探针表面形成一个激光光斑；探测激光器经过第二准直器变为一束不带发散角的光束，光束经过直角棱镜反射镜反射后进入聚焦透镜聚焦后在探针表面形成一个探测激光光斑；然后转动夹持装置中上下位置调节旋钮，使激光光斑在探针表面实现聚焦，转动夹持装置左右伸缩调节旋钮，调整激光光斑在探针表面的位置；经过聚焦光斑直径公式计算得到聚焦光斑大小，聚焦光斑直径d₀为聚焦光斑直径，λ为激光波长，f为透镜焦距，D为激光入射到透镜表面光斑直径；激发激光在探针表面形成一个周期变化的温度场，由于上下表面的材料不同且存在温度差，所以探针会产生弯曲；又由于探针尺寸极小使得探针内残留温度的散热速率比激光的激励速度快，可排除探针内部存在的温度残余对探针弯曲幅度的影响；在激光周期变化的光热激发作用下，探针下测试的材料的形貌信号通过探测激光器的光斑反应在探针表面，并被反射后进入四象限探测器被探测到。

本发明的有益效果在于：本发明原子力显微镜探针光热激发及弯曲探测装置和探测方法，在本装置中，由于把激发激光器、探测激光器、聚焦透镜以及探针夹持工具集成到一个装置中，并且让探测激光的光斑与激发激光的光斑连成的线段与悬臂梁探针的长度方向平行并控制其位置在探针的正上方，一方面保证了作为激发振动的激光束与探测用的激光束的位置是固定的，保证了系统的可靠性与各系统的稳定性。另一方面在调节激光束聚焦到探针表面的过程时，只需要调节夹持工具的上下位置即可完成激光束在探针表面的聚焦过程，即只需调节一个物件即可实现聚焦过程。特别是当更换完其中某些部件后，更是避免了不断调整探针位置，不断调整激光光斑位置与聚焦过程带来的不便。

附图说明

图1本发明原子力显微镜激发探测一体装置结构示意图；

图2本发明光热激发方式温度分布图；

图3本发明光热激发作用点处的力值分布；

图4本发明振动幅度与频率的关系在压电激发与光热激发方式下的对比图；

图5为本发明探针温度灵敏度与厚度比的关系图。

具体实施方式

如图1所示原子力显微镜激发探测一体装置结构示意图，首先用夹持装置9固定住把探针4，使得探针4水平。由激发激光器1发出一束以正弦变化的激光，激光功率为5mW，光束与水平面的夹角为60°，其频率等于探针的固有频率，激光器1发出的激光经过准直器2后把带发散角的光束变为平行光，平行光经过聚焦物镜3，聚焦后的光斑照射到探针4上表面。探针4上表面有一层金属薄膜，当光斑照射在上面时，产生的热量会被吸收从而形成热应力，产生热振动。探测激光器5发出的恒定的激光经过准直器6照射到直角棱镜反射镜7(直角棱镜反射镜7的斜边与水平面夹角为50°)，经过反射后，由聚焦物镜3进行聚焦，调节聚焦透镜3与夹持装置9的上下位置可以改变聚焦光斑的大小与激发激光的光斑位置，以方便更换不同尺寸的探针时重新找到最合适的光斑大小与位置。聚焦后的光斑照射到探针4前端的上表面。探针上表面的涂层材料不吸收该种波长的激光，激光在上表面发生反射，反射后的光束进入到四象限探测器8中。

本装置使用的是Olympus公司的OMCL-RC系列探针长200um，宽20um，其固有频率为290kHz。因为探针的固有频率为290kHZ，所以选用的激光器的频率也应调制为290kHz。功率选择5mW，波长405nm。首先打开激发激光器，探测激光器，激发激光1经过准直器2变为一束不带发散角的平行光经过物镜3(聚焦透镜)在探针表面形成一个激光光斑。探测激光器5(波长633nm，3mW)经过准直器6变为一束不带发散角的光束，光束经过直角棱镜7反射镜反射后进入物镜3(聚焦透镜)聚焦后在探针表面形成一个探测激光光斑。然后转动上下位置调节旋钮10，使激光光斑在探针表面实现聚焦，转动左右伸缩调节旋钮11，调整激光光斑在探针表面的位置。经过聚焦光斑直径公式计算(聚焦光斑直径d₀为聚焦光斑直径(um)，λ为激光波长(nm)，f为透镜焦距(mm)，D为激光入射到透镜表面光斑直径(um))，聚焦的激光光斑约为3um左右。激发激光在探针表面形成一个温度场图2所示，由于上下表面的材料不同且存在温度差，所以探针会产生弯曲，弯曲力的分布图如图3所示，探针弯曲的幅度最大可达100nm左右如图4所示。因为激发激光是按照周期变化的，所以探针表面的温度场也是周期变化的。另一方面，由于探针尺寸极小使得探针内残留温度的散热速率比激光的激励速度快，所以排除了探针内部存在的温度残余对探针弯曲幅度的影响。探测激光的光斑一直照在探针前端表面，并反射到四象限探测器中，当探针针尖遇到被测材料高低起伏的地方时，会使探针振动的幅度发生变化，光斑随之变化，四象限探测器接收到代表振动幅度的变化量的反馈信号后，送入处理器对被测材料的表面形貌进行描述，可得到探针下被测试的材料的形貌图。

在双层探针结构中，上层金属薄膜层的厚度与下层氮化硅基底的厚度比应控制在范围内，如图5所示探针温度灵敏度与厚度比的关系图。若上层金属薄膜的材料为金(Au)，下层材料为氮化硅，那么上下层材料的厚度比应为0.3～0.4之间。如果上层材料为铝(Al)下层材料为氮化硅，上下层材料的最优厚度比应为0.55。聚焦透镜的工作距离为10mm，即聚焦透镜到探针表面的垂直距离为10mm。工作距离也叫物距,指物镜前缘与被测物表面的距离(此处为物镜到探针表面的距离)，在这里因为要在探针表面聚焦形成光斑，所以焦距的值等于工作距离的值。

常用的探针为双层结构，下层为氮化硅材料，通常在探针上表面镀上一层高光能吸收系数、低比热容、高热膨胀系数的材料，并且材料还应满足对探测激光束的高反射率的条件。当一束周期变化的激光束通过透镜聚焦后，照射到探针表面上的一点，并且由于探针表面涂有一层金薄膜，所以探针会吸收激光束的大部分能量，在微构件表面建立一个周期变化的温度场，产生周期性的热应力造成形变弯曲。光热激励法有很高的驱动频率带宽，不存在寄生振动、相位畸变等问题，这就使振动的效果更明显，效率更高、振动品质更好。把激发激光、探测激光、物镜、探针集成到一个装置中，可以使显微系统更可靠，同时也可以简化调节激光光斑位置、光斑大小、探针位置的过程，即简化调光过程。

Claims (4)

1.一种原子力显微镜探针光热激发及弯曲探测装置，其特征在于，夹持装置固定住把双层探针，使得探针水平，激光器发出的激光经过第一准直器变为平行光，平行光倾斜入射聚焦物镜，聚焦后的光斑照射到探针上表面的金属薄膜，产生热振动，激光器发出的激光为以正弦变化的激光，激光频率等于探针的固有频率；探测激光器发出的恒定的激光经过第二准直器输出平行光，由聚焦物镜进行聚焦，聚焦后的光斑照射到探针前端的上表面，在上表面发生全反射，将探针探测的信号通过反射后的光束进入到四象限探测器中被探测。

2.根据权利要求1所述原子力显微镜探针光热激发及弯曲探测装置，其特征在于，所述双层探针上层为金属薄膜层，下层为氮化硅基底。

3.根据权利要求2所述原子力显微镜探针光热激发及弯曲探测装置，其特征在于，所述金属薄膜层为在氮化硅基底上镀一层高光能吸收系数、低比热容、高热膨胀系数及高反射率的材料形成。

4.权利要求1至3中任意一种原子力显微镜探针光热激发及弯曲探测装置的探测方法，其特征在于，首先打开激发激光器和探测激光器，激发激光经过第一准直器变为一束不带发散角的平行光经过聚焦透镜在探针表面形成一个激光光斑；探测激光器经过第二准直器变为一束不带发散角的光束，光束经过直角棱镜反射镜反射后进入聚焦透镜聚焦后在探针表面形成一个探测激光光斑；然后转动夹持装置中上下位置调节旋钮，使激光光斑在探针表面实现聚焦，转动夹持装置左右伸缩调节旋钮，调整激光光斑在探针表面的位置；经过聚焦光斑直径公式计算得到聚焦光斑大小，聚焦光斑直径d₀为聚焦光斑直径，λ为激光波长，f为透镜焦距，D为激光入射到透镜表面光斑直径；激发激光在探针表面形成一个周期变化的温度场，由于上下表面的材料不同且存在温度差，所以探针会产生弯曲；又由于探针尺寸极小使得探针内残留温度的散热速率比激光的激励速度快，可排除探针内部存在的温度残余对探针弯曲幅度的影响；在激光周期变化的光热激发作用下，探针下测试的材料的形貌信号通过探测激光器的光斑反应在探针表面，并被反射后进入四象限探测器被探测到。