CN110045153B - 一种超薄原子力显微镜测头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超薄原子力显微镜测头，该原子力显微镜测头采用一种超薄探针固定模块，探针固定模块包括：悬臂梁探针、压电陶瓷、探针夹持器、第一反射面、第一反射装置和第二反射装置，悬臂梁探针安装在探针夹持器中，悬臂梁探针的针尖位于探针固定模块的最低处，第一反射面位于悬臂梁探针的一侧，第一反射装置位于悬臂梁探针和第一反射面之间，第二反射装置位于悬臂梁探针和激光器之间，第三激光束被第二反射装置反射后从探针固定模块射出并形成第四激光束。本发明原子力显微镜测头中探针固定模块的Z向有效厚度仅为数毫米，可直接安装在工作距离大于该厚度的光学或电子显微镜下实现不同设备的集成联用。

Description

一种超薄原子力显微镜测头

技术领域

本发明属于原子力显微镜技术领域，具体涉及一种竖直方向厚度超薄的探针固定模块以及基于该探针固定模块的原子力显微镜测头。

背景技术

20世纪80年代原子力显微镜的出现使人们得以突破衍射极限对传统光学显微镜的限制，能够以亚纳米级的分辨力实现对各种材料的三维形貌表征。不仅如此，这一技术还能进行材料物理特性的原位检测甚至原子级的操纵与加工。经过三十余年的发展，原子力显微镜目前已被广泛应用于半导体工业、新材料、生命科学等领域，是微纳米尺度科学研究的必备工具之一。

通过集成不同种类的检测装置以实现原位多物理场探测是当前仪器行业发展的重要趋势之一。原子力显微镜与各类光学显微镜及电子显微镜相结合能够进行原位高分辨形貌、成分和理化特性表征，可以显著提高检测效率，在生命科学、微电子等领域有着十分广阔的应用前景。然而由于结构尺寸上的限制，原子力显微镜与其他类型显微镜的集成存在一定的技术困难。

当前主流原子力显微镜系统普遍采用微悬臂梁探针感知样品，当探针在样品表面扫描时，针尖与样品间的作用力使得微悬臂梁产生弯曲形变，这一微小形变经测头中的光杠杆光路放大并由光电探测器转换为电信号。作为原子力显微镜的核心部分，其测头通常体积较大，其Z向厚度尺寸可达数厘米。而电镜和光学显微镜的工作距离(电子枪出口或光学物镜下表面到样品的距离)一般只有几毫米到十几毫米，这就使得现有的原子力显微镜测头装置很难直接集成在电镜和光学显微镜工作台上。市面上现有的原子力显微镜-电镜联用系统大多采用自感应的音叉式探针或压阻探针。这类探针无需额外的检测光路，占用空间小，但在大气环境中易受干扰，应用限制较多。近年一些公司推出的原子力显微镜-拉曼/荧光显微镜联用设备则大多采用倒置式光学显微系统，这一方案可从结构上避免光学显微镜与原子力测头的机械干涉，但不足在于只能检测透明样品。

原子力测头的体积主要取决于光杠杆光路的设计。现有的光杠杆光路大致可分为如图1～4所示的几种典型形式。在图1、2所示的光路中，激光经过直角棱镜20或透镜组23之后沿Z向竖直向下打在悬臂梁探针上，悬臂梁反射的光经一片或多片平面反射镜21反射至光电探测器上。对于采用此类光路的原子力显微镜，可在其上方或侧面安装光学显微镜。但为了不与光杠杆光路中的光学元件发生机械干涉，必须使用工作距离较长的低倍物镜。在图3所示的光路中，光杠杆与光学显微镜光路共用一个物镜，光杠杆激光束通过物镜聚焦在探针悬臂梁上，悬臂梁的反射光又被物镜收集并转换为平行光，再通过位于物镜上方的偏振分光镜24等元件投射到光电探测器上(物镜和偏振分光镜之间光路上设置有二向色镜22和四分之一波片25)。这种形式的光路能够最大限度地减小原子力测头所占空间，允许使用大数值孔径、短工作距离的高倍物镜。但由于需要将光杠杆光路耦合到光学显微镜中，该原子力测头无法与已封装好的商品化光学系统集成。此外，在图1～3所示的方案中，探针和样品的正上方设置有光学元件，会阻碍电子束的传播，因而这三种原子力测头均不适合与电子显微镜集成。在图4所示的结构中，激光束倾斜入射至探针上，反射光对称出射至光电探测器。这一设计的优势在于探针正上方的区域得到了释放，既可以安装光学显微镜也可以安装电子显微镜或其他类型设备。但为避免激光束被光学物镜外壳或电镜极靴遮挡，激光束必须以较大的倾角射向悬臂梁探针。当倾角过大时，悬臂梁上的反射光斑形状和反射强度会变差，进而影响光电探测器的输出信号质量。因此图4中的原子力测头只能用于工作距离较长的低放大倍率系统。

如上所述，现有的几种光路形式使得原子力显微镜测头部分的Z向占用空间过大，不利于与光学显微镜(特别是正置高倍光学显微镜)、电子显微镜等设备集成。为减小原子力测头的体积，使之具有更好的兼容性和可集成性，有必要设计一种竖直方向(Z向)尺寸更为紧凑的新型测头结构。

发明内容

针对原子力显微镜因尺寸原因而难以与其他类型设备集成的问题，本发明的目的在于提供一种探针固定模块，该探针固定模块能够减小原子力显微镜测头的Z向厚度。

本发明的另一目的是提供一种原子力显微镜测头，该原子力显微镜测头基于上述探针固定模块，能够直接安装在高倍光学显微镜、电子显微镜等设备工作台上，且不影响原设备自身功能和性能指标。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种探针固定模块，包括：悬臂梁探针、压电陶瓷、探针夹持器、第一反射面、第一反射装置和第二反射装置，所述悬臂梁探针安装在探针夹持器中，悬臂梁探针的针尖位于探针固定模块的最低处，所述第一反射面位于所述悬臂梁探针的一侧，用于接收位于所述悬臂梁探针另一侧的激光器发射的第一激光束并将该第一激光束反射形成第二激光束，所述第一反射面与所述第一激光束之间所夹锐角为60°～67.5°；所述第一反射装置位于所述悬臂梁探针和所述第一反射面之间，第二激光束被第一反射装置反射后照射在所述悬臂梁探针上并被悬臂梁探针反射形成第三激光束；所述第二反射装置位于所述悬臂梁探针和所述激光器之间，所述第三激光束被所述第二反射装置反射后从所述探针固定模块射出并形成第四激光束。

在上述技术方案中，所述第一反射装置为平行于第一激光束的第二反射面，所述第二反射面与悬臂梁探针分别位于所述第一激光束的两侧且第二反射面的镜面朝向该第一激光束，所述第二激光束被第二反射面反射后照射在所述悬臂梁探针上。

在上述技术方案中，所述第一反射装置为第一反射结构和第二反射结构，所述第一反射结构为1个反射面或位于同一平面上且数量大于1的多个反射面，所述第二反射结构为1个反射面或位于同一平面上且数量大于1的多个反射面，所述第一反射结构和第二反射结构相互平行且镜面相对。

在上述技术方案中，所述第二反射装置为平行于第一激光束的第四反射面，所述第四反射面与悬臂梁探针分别位于所述第一激光束的两侧且第四反射面的镜面朝向该第一激光束，所述第三激光束被第四反射面反射后形成所述第四激光束。

在上述技术方案中，所述第二反射装置为第三反射结构和第四反射结构，所述第三反射结构为1个反射面或位于同一平面上且数量大于1的多个反射面，所述第四反射结构为1个反射面或位于同一平面上且数量大于1的多个反射面，所述第三反射结构和第四反射结构相互平行且镜面相对。

在上述技术方案中，在所述第一反射装置和所述第二反射装置之间形成有通光孔，用于通过成像光路。

在上述技术方案中，还包括：安装有所述第一反射面的第一调整架，用于调整该第一反射面与所述第一激光束的夹角。

在上述技术方案中，还包括：与所述探针夹持器固装的压电陶瓷，用于激励悬臂梁探针产生振动或做Z向扫描。

一种原子力显微镜测头，包括：所述探针固定模块和激光收发模块，所述激光收发模块包括：激光发射结构和激光接收结构，所述激光发射结构包括：所述激光器以及位于第一激光束光路上的第一会聚透镜，以使所述第一激光束穿过所述第一会聚透镜且第二激光束聚焦在所述悬臂梁探针上；所述激光接收结构包括：光电探测器和位于第四激光束光路上的第二会聚透镜，以使所述第四激光束穿过所述第二会聚透镜后投射在所述光电探测器的感光面上。

在上述技术方案中，在所述第四激光束穿过所述第二会聚透镜后的光路上安装有滤光片，用于减少杂散光干扰。

在上述技术方案中，所述光电探测器安装在二维调整台上，该二维调整台用于调整该光电探测器的位置。

在上述技术方案中，还包括：第二调整架，所述激光器安装在第二调整架上，该第二调整架用于调整该激光器的位置和角度。

1.本发明原子力显微镜测头中探针固定模块的Z向有效厚度仅为数毫米，可直接安装在工作距离大于该厚度的光学或电子显微镜下实现不同设备的集成联用。

2.原子力显微镜测头结构紧凑，Z向厚度较之常规原子力显微镜显著减小，易于与其他设备集成。

3.该原子力显微镜测头与光学显微镜或电子显微镜集成时，可直接安装在光学物镜或电镜极靴与样品之间，无需对既有显微镜主体进行改动，二者光路无耦合，各自功能不受影响。

4.该原子力显微镜测头采用模块化设计，各模块相对独立，易于安装调试和维修升级。

附图说明

图1为原子力显微镜测头结构1示意图；

图2为原子力显微镜测头结构2示意图；

图3为原子力显微镜测头结构3示意图：

图4为原子力显微镜测头结构4示意图：

图5为本发明原子力显微镜测头的结构示意图；

图6为本发明原子力显微镜测头的结构示意图。

其中，

Ⅰ：探针固定模块 Ⅱ：激光收发模块

1：悬臂梁探针； 2：压电陶瓷；

3：探针夹持器； 4：第一反射面；

5：第二反射面； 6：第三反射面；

7：第四反射面； 8：第五反射面；

9：第一调整架； 10：激光器；

11：第二调整架； 12：第一会聚透镜；

13：第二会聚透镜； 14：光电探测器；

15：二维调整台； 16：电机粗定位平台；

17：压电扫描器； 18：样品台；

19：物镜； 20：直角棱镜；

21：平面反射镜； 22：二向色镜；

23：透镜组； 24：偏振分光镜；

25：四分之一波片。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

一种探针固定模块，包括：悬臂梁探针1、压电陶瓷2、探针夹持器3、第一反射面4、第一反射装置和第二反射装置，悬臂梁探针1安装在探针夹持器3中，悬臂梁探针1的针尖位于探针固定模块Ⅰ的最低处，第一反射面4位于悬臂梁探针1的一侧，用于接收位于悬臂梁探针1另一侧的激光器10发射的第一激光束并将该第一激光束反射形成第二激光束，第一反射面4与第一激光束之间所夹锐角为60°～67.5°。

第一反射装置位于悬臂梁探针1和第一反射面4之间，第二激光束被第一反射装置反射后以45°～60°的倾角照射在悬臂梁探针1上并被悬臂梁探针1反射形成第三激光束；第二反射装置位于悬臂梁探针1和激光器10之间，第三激光束被第二反射装置反射后从探针固定模块Ⅰ射出并形成第四激光束。

实施例2

在实施例1的基础上，在第一反射装置和第二反射装置之间形成有通光孔，用于通过成像光路；

还包括：安装有第一反射面4的第一调整架9，用于调整该第一反射面4与第一激光束的夹角；

还包括：与探针夹持器3固装的压电陶瓷2，用于激励悬臂梁探针1产生振动或做Z向扫描(Z向：与第一激光束垂直的方向)。

实施例3

如图5所示，在实施例2的基础上，第一反射装置为第一反射结构和第二反射结构，第一反射结构为1个反射面，第二反射结构为1个反射面，在本实施例中，第一反射结构为第二反射面5，第二反射结构为第三反射面6，第一反射结构和第二反射结构相互平行，第二反射面5和第三反射面6分别位于第一激光束的上下两侧且其之间的距离为3.7mm。

第二反射装置为第三反射结构和第四反射结构，第三反射结构为1个反射面，第四反射结构为1个反射面，第三反射结构为第四反射面7，第四反射结构为第五反射面8，第三反射结构和第四反射结构相互平行。第四反射面7和第五反射面8分别位于第一激光束的上下两侧且垂直间距为3.7mm；第二反射面5和第四反射面7水平间距为7.5mm作为通光孔。

在本实施例中，第一～第五反射面均采用镀银膜平面反射镜。其中，第一反射面4所用的镀银膜平面反射镜尺寸为15mm×4.5mm×1mm，粘贴在与水平面成112.5°角的固定斜面上，且用于反射的一面朝向其右上方的第二反射面5(如图5所示)；第二反射面5和第四反射面7可以属于同一个反射镜的不同区域(即一体构成)，也可以为2块不同的反射镜，当第二反射面5和第四反射面7为一体构成时，其尺寸可以为15mm×20mm×1mm，水平放置于悬臂梁探针的上方，反射镜中间加工有一个直径为7.5mm的通孔作为通光孔，第二反射面5和第四反射面7分居该通孔左右两侧。

第五反射面8所用的反射镜尺寸为15mm×20mm×1mm，水平放置于悬臂梁探针1右侧。第一激光束从第一会聚透镜12射出后依次经过第一反射面4、第二反射面5的第一次反射、第三反射面6和第二反射面5的第二次反射后会聚在悬臂梁探针1上，悬臂梁探针1反射的第三激光束再依次经过第四反射面7的第一次反射、第五反射面8和第四反射面7的第二次反射后向探针固定模块I右下方射出且形成第四激光束。第二反射面5和第四反射面7中每一反射面上的两个反射点相距约14mm。

经测量，本实施例中探针固定模块的厚度(从第二反射面5的上表面到悬臂梁探针1的针尖的垂直距离)为6.8mm。

实施例4

如图6所示，在实施例2的基础上，第一反射装置为平行于第一激光束的第二反射面5，第二反射面5与悬臂梁探针1分别位于第一激光束的上下两侧且第二反射面5的镜面朝向该第一激光束，第二激光束被第二反射面5反射后照射在悬臂梁探针1上。

第二反射装置为第三反射结构和第四反射结构，第三反射结构为1个反射面，第四反射结构为1个反射面，第三反射结构为第四反射面7，第四反射结构为第五反射面8，第三反射结构和第四反射结构分别位于第一激光束的上下两侧且相互平行、镜面相对。

第一反射面4的尺寸是12mm(宽)x 5mm(长)x 1mm(厚)；第一反射面4和水平面的角度为112.5°；第二反射面5的尺寸是20mm(宽)x 9mm(长)x 1mm(厚)；第四反射面7的尺寸是20mm(宽)x 5.5mm(长)x 1mm(厚)；第五反射面8的尺寸是20mm(宽)x 9mm(长)x 1mm(厚)；第四反射面7和第五反射面8的垂直间距为3.7mm；第二反射面5和第四反射面7水平间距为7.5mm。

经测量，本实施例中探针固定模块的厚度为6.8mm。

实施例5

一种原子力显微镜测头，包括：上述实施例3的探针固定模块Ⅰ和激光收发模块Ⅱ，激光收发模块Ⅱ包括：激光发射结构和激光接收结构，激光发射结构包括：激光器10以及位于第一激光束光路上的第一会聚透镜12(第一会聚透镜12位于探针固定模块外部)，以使第一激光束穿过第一会聚透镜12且第二激光束投射在悬臂梁探针1上；激光接收结构包括：光电探测器14和位于第四激光束光路上的第二会聚透镜13，以使第四激光束穿过第二会聚透镜13后投射在光电探测器14的感光面上。

作为优选，在第四激光束穿过第二会聚透镜13后的光路上安装有滤光片(图中未示出)，用于减少杂散光干扰。

作为优选，光电探测器14安装在二维调整台15上，二维调整台15用于调整该光电探测器14的位置；

还包括：第二调整架11，激光器10安装在第二调整架11上，第二调整架11用于调整该激光器10的位置和角度。

在本实施例中，激光器采用波长780nm，功率4.5mW的二极管激光器，其出射光斑为直径2.5mm的圆形。第一会聚透镜安装在激光器出口，采用镀有780nm增透膜的精密抛光非球面透镜，有效焦距为79mm，数值孔径0.143。第二会聚透镜选用带780nm增透膜的普通球面透镜，有效焦距25mm，数值孔径0.23。光电探测器采用滨松公司的四象限光电探测器，感光面为边长10mm的正方形区域。光电探测器固定在二维调整台15上。二维调整台为二维手动平移台，其X、Y行程均为6mm，位移分辨力优于10μm。本方案中，探针固定模块的有效Z向厚度即第二反射面5的上表面至悬臂梁探针1针尖处的垂直距离为6.8mm。原子力显微镜测头上方的光学显微镜可采用三丰公司的50X平场复消色差物镜，其工作距离为13mm，数值孔径0.55。

从探针固定模块I出射的第四激光束进入激光收发模块II中的第二会聚透镜13后投射到光电探测器14上。

实施例6

一种原子力显微镜，包括：实施例5中的原子力显微镜测头以及位于原子力显微镜测头外部的电机粗定位平台16、压电扫描器17、样品台18和物镜19，物镜19安装在探针固定模块Ⅰ的正上方，通过通光孔使悬臂梁探针1的针尖位于物镜19的视场内。

电机粗定位平台16、压电扫描器17和样品台18位于探针固定模块Ⅰ的下方，可带动样品相对于针尖做三维移动及扫描成像。

样品台安装于具有三维扫描能力的压电陶瓷扫描器(压电扫描器)上，压电陶瓷扫描器安装于电机粗定位平台上，原子力显微镜测头位于样品台的上方，其中，探针固定模块Ⅰ位于样品正上方，激光收发模块Ⅱ位于探针固定模块Ⅰ的一侧(图5所示为右侧)。

电机粗定位平台16采用组合式步进电机，三轴步进分辨力小于1μm。

压电陶瓷扫描器采用PI公司的三维纳米定位台P-517.3C，其X、Y方向的闭环行程为100μm，位移分辨力0.3nm，Z方向的闭环行程为20μm，位移分辨力0.1nm。

悬臂梁探针安装在探针夹持器内且悬臂梁与水平面成10°倾角以确保针尖位于探针固定模块I的最低点。

探针夹持器固定在压电陶瓷底部，压电陶瓷的尺寸为5mm×5mm×1mm，当原子力显微镜工作在动态模式下时，压电陶瓷谐振可驱动悬臂梁探针1产生谐振。

本发明提出的原子力显微镜测头须与外部三维扫描器(电机粗定位平台16和压电扫描器17)配合实现扫描成像功能。扫描成像时，原子力显微镜测头固定不动，压电扫描器搭载样品做三维扫描。该原子力显微镜与其他仪器如光学显微镜联用时，原子力显微镜测头位于样品和物镜之间，原子力显微镜测头的Z向厚度小于所用物镜的工作距离。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种探针固定模块，其特征在于，包括：悬臂梁探针(1)、压电陶瓷(2)、探针夹持器(3)、第一反射面(4)、第一反射装置和第二反射装置，所述悬臂梁探针(1)安装在探针夹持器(3)中，悬臂梁探针(1)的针尖位于探针固定模块(Ⅰ)的最低处，所述第一反射面(4)位于所述悬臂梁探针(1)的一侧，用于接收位于所述悬臂梁探针(1)另一侧的激光器(10)发射的第一激光束并将该第一激光束反射形成第二激光束，所述第一反射面(4)与所述第一激光束之间所夹锐角为60～67.5°；所述第一反射装置位于所述悬臂梁探针(1)和所述第一反射面(4)之间，第二激光束被第一反射装置反射后照射在所述悬臂梁探针(1)上并被悬臂梁探针(1)反射形成第三激光束；所述第二反射装置位于所述悬臂梁探针(1)和所述激光器(10)之间，所述第三激光束被所述第二反射装置反射后从所述探针固定模块(Ⅰ)射出并形成第四激光束；第一反射装置包括1或多个反射面，第二反射装置包括1或多个反射面。

2.根据权利要求1所述的探针固定模块，其特征在于，所述第一反射装置为平行于第一激光束的第二反射面(5)，所述第二反射面(5)与悬臂梁探针(1)分别位于所述第一激光束的两侧且第二反射面(5)的镜面朝向该第一激光束，所述第二激光束被第二反射面(5)反射后照射在所述悬臂梁探针(1)上。

3.根据权利要求1所述的探针固定模块，其特征在于，所述第一反射装置为第一反射结构和第二反射结构，所述第一反射结构为1个反射面或位于同一平面上且数量大于1的多个反射面，所述第二反射结构为1个反射面或位于同一平面上且数量大于1的多个反射面，所述第一反射结构和第二反射结构相互平行且镜面相对。

4.根据权利要求2或3所述的探针固定模块，其特征在于，所述第二反射装置为平行于第一激光束的第四反射面(7)，所述第四反射面(7)与悬臂梁探针(1)分别位于所述第一激光束的两侧且第四反射面(7)的镜面朝向该第一激光束，所述第三激光束被第四反射面(7)反射后形成所述第四激光束。

5.根据权利要求2或3所述的探针固定模块，其特征在于，所述第二反射装置为第三反射结构和第四反射结构，所述第三反射结构为1个反射面或位于同一平面上且数量大于1的多个反射面，所述第四反射结构为1个反射面或位于同一平面上且数量大于1的多个反射面，所述第三反射结构和第四反射结构相互平行且镜面相对。

6.根据权利要求4所述的探针固定模块，其特征在于，在所述第一反射装置和所述第二反射装置之间形成有通光孔，用于通过成像光路。

7.根据权利要求5所述的探针固定模块，其特征在于，在所述第一反射装置和所述第二反射装置之间形成有通光孔，用于通过成像光路。

8.根据权利要求6或7所述的探针固定模块，其特征在于，还包括：安装有所述第一反射面(4)的第一调整架(9)，用于调整该第一反射面(4)与所述第一激光束的夹角。

9.根据权利要求8所述的探针固定模块，其特征在于，还包括：与所述探针夹持器(3)固装的压电陶瓷(2)，用于激励悬臂梁探针(1)产生振动或做Z向扫描。

10.一种原子力显微镜测头，其特征在于，包括：如权利要求1中所述探针固定模块(Ⅰ)和激光收发模块(Ⅱ)，所述激光收发模块(Ⅱ)包括：激光发射结构和激光接收结构，所述激光发射结构包括：所述激光器(10)以及位于第一激光束光路上的第一会聚透镜(12)，以使所述第一激光束穿过所述第一会聚透镜(12)且第二激光束聚焦在所述悬臂梁探针(1)上；所述激光接收结构包括：光电探测器(14)和位于第四激光束光路上的第二会聚透镜(13)，以使所述第四激光束穿过所述第二会聚透镜(13)后投射在所述光电探测器(14)的感光面上。

11.根据权利要求10所述的原子力显微镜测头，其特征在于，在所述第四激光束穿过所述第二会聚透镜(13)后的光路上安装有滤光片，用于减少杂散光干扰。

12.根据权利要求10所述的原子力显微镜测头，其特征在于，所述光电探测器(14)安装在二维调整台(15)上，二维调整台(15)用于调整该光电探测器(14)的位置。

13.根据权利要求10所述的原子力显微镜测头，其特征在于，还包括：第二调整架(11)，所述激光器(10)安装在第二调整架(11)上，第二调整架(11)用于调整该激光器(10)的位置和角度。

Images