CN109799368B

CN109799368B - 一种双探针原子力显微镜

Info

Publication number: CN109799368B
Application number: CN201910212152.0A
Authority: CN
Inventors: 李鹏; 裘晓辉
Original assignee: National Center for Nanosccience and Technology China
Current assignee: National Center for Nanosccience and Technology China
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2021-12-17
Anticipated expiration: 2039-03-20
Also published as: CN109799368A

Abstract

本发明涉及原子力显微镜技术领域，公开一种双探针原子力显微镜。所述双探针原子力显微镜包括两组力学检测组件、两组光热激励组件、两组探针组件和光学组件，力学检测组件包括发射检测用激光的力学检测激光器，光热激励组件包括发射光热用激光的光热激光器，探针组件包括微悬臂和固定于微悬臂上的探针针尖，光学组件能够使检测用激光聚焦于微悬臂的前端，并使光热用激光聚焦于微悬臂的后端。本发明采用两组探针组件，检测灵敏度高；采用光热激励组件控制微悬臂的振动频率，避免了机械杂峰的出现，两组力学检测组件和两组光热激励组件均共用一组光学组件，结构紧凑。

Description

一种双探针原子力显微镜

技术领域

本发明涉及原子力显微镜技术领域，尤其涉及一种双探针原子力显微镜。

背景技术

原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)是微纳尺度形貌表征、物性测量及微纳操作的重要工具。原子力显微镜的光路结构中包括探针针尖和微悬臂，探针针尖固定在微悬臂上，探针尖端的原子与被测样品表面的原子间存在相互作用力，该相互作用力随两原子间的距离的变化而变化，且该相互作用力会引起微悬臂形变，以该形变量为反馈，通过调整探针的上下运动来控制探针尖端的原子与被测样品表面的原子间的距离不变，移动探针使其在被测样品的表面上运动，探针的行走轨迹可代表样品的三维形貌信息。

现有的双探针原子力显微镜常采用激光光杠杆的位移检测方法，具有较高的检测灵敏度和实用价值，且无需集成自检测元件，对探针的兼容性较高，可拓展性强。一般地，当原子力显微镜处于轻敲模式这一工作模式时，采用压电陶瓷激励来使探针发生共振，但是，这种激励方式会使得探针扫频时出现机械杂峰，尤其是在液体环境下，影响原子力显微镜的检测灵敏度。另外在峰值力轻敲模式等非共振模式，采用压电陶瓷激励驱动整个探针夹持件带着探针大振幅振动，其有限的驱动能力导致了较低的振动频率(数kHz)，从而限制了峰值力轻敲模式的速度。

发明内容

基于以上所述，本发明的目的在于提供一种双探针原子力显微镜，以解决现有的双探针原子力显微镜因压电陶瓷激励引起的机械杂峰导致的检测灵敏度低及非共振模式振动频率过低的问题。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种双探针原子力显微镜，包括：

力学检测组件，其包括力学检测激光器，所述力学检测激光器用于发射检测用激光；

光热激励组件，其包括光热激光器，所述光热激光器用于发射光热用激光；

探针组件，其包括微悬臂和探针针尖，所述探针针尖固定于所述微悬臂上；

光学组件，所述光学组件能够使所述检测用激光聚焦于所述微悬臂的前端，所述光学组件能够使所述光热用激光聚焦于所述微悬臂的后端，所述光热用激光能够使所述微悬臂的后端振动；

所述力学检测组件、所述光热激励组件和所述探针组件的数量均为两组，所述力学检测组件与所述探针组件一一对应设置，所述光热激励组件和所述探针组件一一对应设置。

进一步地，所述光学组件包括物镜、刀口棱镜和物镜分束镜，每束所述检测用激光依次经所述刀口棱镜和所述物镜分束镜的反射进入所述物镜内，并经所述物镜的折射聚焦于所述微悬臂的前端。

进一步地，所述光热激励组件还包括光热分束镜，每束所述光热用激光依次经所述光热分束镜、所述刀口棱镜和所述物镜分束镜的反射进入所述物镜内，并经所述物镜的折射聚焦于所述微悬臂的后端。

进一步地，两组所述光热激励组件分设于所述刀口棱镜的两侧。

进一步地，两组所述力学检测组件分设于所述刀口棱镜的两侧。

进一步地，还包括光电探测器，每束所述检测用激光经所述微悬臂的前端反射至所述光电探测器内。

进一步地，所述光电探测器的数量为两个，所述光电探测器与所述探针组件一一对应设置。

进一步地，经所述力学检测激光器发射的所述检测用激光与经所述光热激光器发射的所述光热用激光的照射方向不同。

进一步地，还包括探针夹持件，所述探针夹持件用于夹持所述探针组件。

进一步地，所述探针夹持件的数量为两个，所述探针夹持件与所述探针组件一一对应设置。

本发明的有益效果为：

本发明采用两组探针组件来获取被测样品的三维形貌信息，检测灵敏度高，对探针要求较低，兼容大部分功能化商业探针；采用光热激励组件加热微悬臂的后端，微悬臂因不同材料受热膨胀系数不同而引起弯曲，控制光热用激光的频率和强度就能够控制微悬臂的振动频率与幅度，避免了机械杂峰的出现，达到更高的检测灵敏度，且光热激励组件不仅适用于共振状态下，也适用于非共振状态，适用范围大；两组力学检测组件和两组光热激励组件均共用一组光学组件，结构紧凑，完成了不同组检测光路和激励光路的集成。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本发明具体实施方式提供的双探针原子力显微镜的光路示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的双探针原子力显微镜的结构示意图。

图中：

1-力学检测组件；2-光热激励组件；3-光学组件；4-探针组件；5-光电探测器；6-探针夹持件；

11-力学检测激光器；12-检测用激光；21-光热激光器；22-光热用激光；23-光热分束镜；31-物镜；32-刀口棱镜；33-物镜分束镜；41-微悬臂；42-探针针尖。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

如图1-图2所示，本实施方式提供一种双探针原子力显微镜，该双探针原子力显微镜包括力学检测组件1、光热激励组件2、光学组件3和探针组件4。力学检测组件1包括力学检测激光器11，力学检测激光器11用于发射检测用激光12。光热激励组件2包括光热激光器21，光热激光器21用于发射光热用激光22。探针组件4包括微悬臂41和探针针尖42，探针针尖42固定于微悬臂41上。光学组件3经过多次反射，使检测用激光12聚焦于微悬臂41的前端，并使光热用激光22聚焦于微悬臂41的后端。光热用激光22加热微悬臂41的后端，微悬臂41因不同材料受热膨胀系数不同而引起弯曲，控制光热用激光22的频率和强度就能够控制微悬臂41的振动频率与幅度，相较于压电陶瓷激励，避免了机械杂峰的出现，达到更高的检测灵敏度，且光热激励组件2不仅适用于共振状态下，如轻敲模式，也适用于非共振状态，如峰值力轻敲模式，能够同时测量被测样品的多种物性，实现更快的力检测，适用范围大。

力学检测组件1、光热激励组件2和探针组件4的数量均为两组，力学检测组件1与探针组件4一一对应设置，光热激励组件2和探针组件4一一对应设置。本实施方式采用两组探针组件4来获取被测样品的三维形貌信息，检测灵敏度高，对探针要求较低，兼容大部分功能化商业探针；采用光热激励组件2，相较于压电陶瓷激励，避免了机械杂峰的出现，达到更高的检测灵敏度，且光热激励组件2不仅适用于共振状态下，如轻敲模式，也适用于非共振状态，如峰值力轻敲模式，能够同时测量被测样品的多种物性，实现更快的力检测，适用范围大；两组力学检测组件1和两组光热激励组件2均共用一组光学组件3，结构紧凑，完成了不同组检测光路和激励光路的集成。

如图1所示，光学组件3包括物镜31、刀口棱镜32和物镜分束镜33，每束检测用激光12依次经刀口棱镜32和物镜分束镜33的反射进入物镜31内。也就是说，检测用激光12从力学检测激光器11中发射后，在刀口棱镜32的表面上反射，再经物镜分束镜33反射，照射入物镜31内，经过物镜31的折射，聚焦于微悬臂41的前端。光学组件3多次改变检测用激光12的照射路径，使得物镜31和力学检测激光器11不必在一条直线上，结构紧凑。

进一步地，还包括光电探测器5，每束检测用激光12经微悬臂41的前端反射至光电探测器5内，便于检测微悬臂41的形变量。可选地，光电探测器5可以位于探针针尖42和物镜31之间，也可以在物镜31的外侧。本实施方式中，对光电探测器5的位置不作限定，只要能够接收到经微悬臂41的前端反射的检测用激光12即可。

具体地，光电探测器5的数量为两个，光电探测器5与探针组件4一一对应设置。

光热激励组件2还包括光热分束镜23，每束光热用激光22依次经光热分束镜23、刀口棱镜32和物镜分束镜33的反射进入物镜31内。也就是说，光热用激光22从光热激光器21中发射后，首先在光热分束镜23的表面上反射，再照射至刀口棱镜32的表面并发生反射，然后经物镜分束镜33反射，照射入物镜31内，经过物镜31的折射，聚焦于微悬臂41的后端。光学组件3多次改变光热用激光22的照射路径，使得物镜31和光热激光器21不必在一条直线上，结构紧凑。需要注意的是，每束光热用激光22经微悬臂41的后端不会反射至光电探测器5内，即光热用激光22只能使微悬臂41振动，并不会影响微悬臂41的形变量的检测，保证了检测的准确性。

如图1所示，每组探针组件4对应一组力学检测组件1和一组光热激励组件2，每组力学检测组件1和每组光热激励组件2均独立被控制。本实施方式中，将一组探针组件4、一组力学检测组件1和一组光热激励组件2定义为一套光路结构，本实施方式中包括两套光路结构，这两套光路结构共用一组光学组件3，结构紧凑，完成了不同组检测光路和激励光路的集成。具体地，两组光热激励组件2分设于刀口棱镜32的两侧，相应地，两组力学检测组件1也分设于刀口棱镜32的两侧。进一步地，经力学检测激光器11发射的检测用激光12与经光热激光器21发射的光热用激光22的照射方向不同，使得结构更紧凑。本实施方式中，对经力学检测激光器11发射的检测用激光12与经光热激光器21发射的光热用激光22的照射方向、物镜分束镜33的安装角度、刀口棱镜32的安装角度以及光热分束镜23的安装角度均不作限定，只要能够使得检测用激光12聚焦于微悬臂41的前端，且光热用激光22聚焦于微悬臂41的后端即可。

如图2所示，本实施方式提供的双探针原子力显微镜还包括探针夹持件6，探针夹持件6用于夹持探针组件4。具体地，探针夹持件6的数量为两个，探针夹持件6与探针组件4一一对应设置，便于对探针组件4的固定。

注意，上述仅为本发明的较佳实施方式及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施方式，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施方式对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施方式，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施方式，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种双探针原子力显微镜，其特征在于，包括：

力学检测组件(1)，其包括力学检测激光器(11)，所述力学检测激光器(11)用于发射检测用激光(12)；

光热激励组件(2)，其包括光热激光器(21)，所述光热激光器(21)用于发射光热用激光(22)；

探针组件(4)，其包括微悬臂(41)和探针针尖(42)，所述探针针尖(42)固定于所述微悬臂(41)上；

光学组件(3)，所述光学组件(3)能够使所述检测用激光(12)聚焦于所述微悬臂(41)的前端，所述光学组件(3)能够使所述光热用激光(22)聚焦于所述微悬臂(41)的后端，所述光热用激光(22)能够使所述微悬臂(41)的后端振动；

所述力学检测组件(1)、所述光热激励组件(2)和所述探针组件(4)的数量均为两组，所述力学检测组件(1)与所述探针组件(4)一一对应设置，所述光热激励组件(2)和所述探针组件(4)一一对应设置；

所述光学组件(3)包括物镜(31)、刀口棱镜(32)和物镜分束镜(33)，每束所述检测用激光(12)依次经所述刀口棱镜(32)和所述物镜分束镜(33)的反射进入所述物镜(31)内，并经所述物镜(31)的折射聚焦于所述微悬臂(41)的前端；

所述光热激励组件(2)还包括光热分束镜(23)，每束所述光热用激光(22)依次经所述光热分束镜(23)、所述刀口棱镜(32)和所述物镜分束镜(33)的反射进入所述物镜(31)内，并经所述物镜(31)的折射聚焦于所述微悬臂(41)的后端；

两组所述光热激励组件(2)分设于所述刀口棱镜(32)的两侧；

两组所述力学检测组件(1)分设于所述刀口棱镜(32)的两侧。

2.根据权利要求1所述的双探针原子力显微镜，其特征在于，还包括光电探测器(5)，每束所述检测用激光(12)经所述微悬臂(41)的前端反射至所述光电探测器(5)内。

3.根据权利要求2所述的双探针原子力显微镜，其特征在于，所述光电探测器(5)的数量为两个，所述光电探测器(5)与所述探针组件(4)一一对应设置。

4.根据权利要求1所述的双探针原子力显微镜，其特征在于，经所述力学检测激光器(11)发射的所述检测用激光(12)与经所述光热激光器(21)发射的所述光热用激光(22)的照射方向不同。

5.根据权利要求1所述的双探针原子力显微镜，其特征在于，还包括探针夹持件(6)，所述探针夹持件(6)用于夹持所述探针组件(4)。

6.根据权利要求5所述的双探针原子力显微镜，其特征在于，所述探针夹持件(6)的数量为两个，所述探针夹持件(6)与所述探针组件(4)一一对应设置。