CN112505360A - 基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置与方法，其中的层析检测装置，包括用于在内部形成真空环境的设备外壳、原子力显微镜、机械切削装置、控制装置，以及样品承载装置；所述样品承载装置、所述机械切削装置与所述原子力显微镜均设于所述真空环境；所述原子力显微镜包括探针，以及用于驱动所述探针运动的探针驱动结构；所述机械切削装置包括切削刀，以及用于驱动所述切削刀运动的切削刀驱动结构；所述控制装置分别通过信号对所述探针驱动结构与所述切削刀驱动结构进行控制，进一步的，可通过探针物性测量和原位切削的交替使用形成三维物性层析成像。
Description
技术领域
本发明涉及物体检测领域，尤其涉及一种基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置与方法。
背景技术
在对物体进行检测时，可以通过视觉的方式检测物体的三维形状，也可通过传感器对物体的外形进行检测，得到相应的外形信息。然而，现有的检测方式只能对物体的表面形状进行检测，无法获悉物体内部的信息 (例如其内部的形状、物理性质等等)。
故而，在现有相关技术中，可利用金刚刀对待测物体进行逐层的切削，再在每次切削后，将待测物体送至图像采集装置，图像采集装置可获取当前待测表面的图像，进而，基于所获取到的图像，可分析确定物体的相关信息。
然而，图像所涵盖的信息比较有限，难以全面地反应待测表面实际的物理性能(例如图像难以有效反应出待测表面的起伏变化)。
发明内容
本发明提供一种基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置与方法，以解决检测到的信息比较单一，无法满足需求的问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，包括用于在内部形成真空环境的设备外壳、原子力显微镜、机械切削装置、控制装置，以及样品承载装置；所述样品承载装置、所述机械切削装置与所述原子力显微镜均设于所述真空环境；
所述原子力显微镜包括探针，以及用于驱动所述探针运动的探针驱动结构；所述机械切削装置包括切削刀，以及用于驱动所述切削刀运动的切削刀驱动结构；所述控制装置分别通过信号对所述探针驱动结构与所述切削刀驱动结构进行控制；
所述控制装置用于：
通过所述切削刀驱动结构，控制所述切削刀到达切削预备位置；
通过所述切削刀驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述切削刀切削所述样品承载装置上的样品表面，以形成当前待测表面；
通过所述探针驱动结构，控制所述探针与所述当前待测表面处于相互作用位置，并通过所述探针驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述探针相对于所述样品做扫描运动，并利用所述探针对所述当前待测表面进行物性测量；其中，所述扫描运动多个测量点的物理信号变化将构成当前待测表面的物性图；
重复以上过程，以利用机械切削再次切削试样表面并形成新的当前测量表面，重复探针表面物性测量和扫描。
可选的，所述样品承载装置包括样品台，所述样品台设有冷冻组件，所述冷冻组件用于向处于所述样品台的所述样品提供冷源，以使得所述样品处于冷冻状态。
可选的，所述冷源的冷冻温度处于液氮温度和室温之间。
可选的，所述样品承载装置还包括纳米位移平台，所述样品台安装于所述纳米位移平台；所述纳米位移平台电连接所述控制装置；
所述控制装置在通过所述切削刀驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述切削刀切削所述样品承载装置上的样品表面，以形成当前待测表面，具体用于：
通过所述纳米位移平台，控制所述切削刀切削所述样品的表面。
可选的，所述控制装置在通过所述探针驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述探针相对于所述样品做扫描运动时，具体用于：
通过所述探针驱动结构和所述纳米位移平台，控制所述探针相对于所述样品做扫描运动。
可选的，所述的层析检测装置，还包括光学装置，所述光学装置安装于所述设备外壳，所述光学装置朝向于所述样品承载装置所属区域，且所述样品处于所述样品承载装置与所述光学装置之间；所述样品承载装置的位置匹配于所述光学装置的焦平面，以使得处于所述样品承载装置的所述样品能够处于所述焦平面；
所述光学装置用于：
采集其覆盖范围内的实时图像，并将所述实时图像发送至所述控制装置；
所述控制装置还用于：
在所述探针相对于所述样品做所述扫描运动时，根据所述实时图像，确定不同时间所述探针针尖相对于所述样品的探针位置信息；
所述控制装置在利用所述探针对所述当前待测表面进行物性测量时，具体用于：
根据不同时间的所述探针位置信息与所述物理信号，确定所述当前待测表面的物性图。
可选的，所述光学装置还用于导入第一辅助光，并将所述第一辅助光引导至所述当前待测表面，以在所述当前待测表面形成第一光斑；
所述第一辅助光被配置为能够使得：
所述当前图像中，所述探针的针尖区段所表现出的光谱信息区别于所述第一光斑所覆盖的区域范围内其他区域的光谱信息，所述针尖区段的尺寸范围小于20nm。
可选的，所述光学装置还用于导入第二辅助光，并将所述第二辅助光引导至所述当前待测表面，以在所述当前待测表面形成第二光斑；
所述第二辅助光被配置为能够使得：
所述当前待测表面中，所述第二光斑的所覆盖的区域范围内发生变形。
可选的，所述的层析检测装置，还包括电学测量装置，所述电学测量装置电连接所述探针与所述样品，以在所述探针与所述样品之间形成回路；所述电学测量装置还电连接所述控制装置，以获取不同时间的所述探针位置信息；
所述电学测量装置用于：
获取所述回路在不同时间的电学参数；
根据不同时间的所述电学参数与不同时间的所述探针位置信息，确定所述当前待测表面的表面电学信息，所述表面电学信息表征了所述探针的针尖相对于所述样品到达不同位置时所述电学参数的变化；
在完成所述样品的N次切削，并在每次切削后均获取到对应的表面电学信息之后，整合所述N次切削对应的N组表面电学信息。
可选的，所述的层析检测装置，还包括激光组件，所述激光组件包括激光器与探测器，所述控制装置分别电连接所述激光器与所述探测器；所述探针包括悬臂与接触部，所述悬臂连接于所述接触部与所述探针驱动结构之间；
所述激光器与所述探测器相对于所述设备外壳的位置是固定的，所述相互作用位置、所述激光器与所述探测器的位置相匹配，以使得：在所述探针相对于所述样品做所述扫描运动时，所述激光器的激光能够入射至所述探针的悬臂；
所述控制装置还用于：
在所述探针相对于所述样品做所述扫描运动时，控制所述激光器向所述悬臂入射激光，并获取所述探测器接收到的返回光的信号；
所述物理信号是根据对应的返回光的信号确定的。
可选的，所述激光器与所述探测器直接或间接安装于所述设备外壳，或者安装于光学装置；
若所述激光器与所述探测器直接或间接安装于所述设备外壳，则：所述激光器与所述设备外壳之间设有热传导结构，所述探测器与所述设备外壳之间也设有热传导结构。
可选的，所述控制装置还用于：
在完成所述样品的N次切削，并在每次切削后均获取到对应的物性图之后，基于N张物性图，构成对应的三维层析图像；其中的N为大于或等于2的整数。
可选的，所述探针包括悬臂、接触部，以及感应部件，所述悬臂连接于所述接触部与所述探针驱动结构之间；
所述感应部件用于检测所述悬臂形变和/或形变应力，得到对应的感应信号；
所述感应部件电连接所述控制装置，以将所述感应信号反馈至所述控制装置；
所述物理信号是根据对应的感应信号确定的。
可选的，所述的层析检测装置，还包括换针台，所述探针驱动结构设有探针安装部，所述探针通过探针夹持器可分离地安装于所述探针安装部，所述换针台上设有至少两个探针容置位；
若所述至少两个探针容置位包括空置的第一容置位与已容置了备用探针及其探针夹持器的第二容置位，则：
所述控制装置还用于：
通过所述探针驱动结构，控制所述探针及其探针夹持器进入所述第一容置位；
控制所述探针安装部与对应的探针夹持器分离，以使得所述探针及其探针夹持器能够留置于所述第一容置位；
通过所述探针驱动结构，控制所述探针安装部移动至所述第二容置位外侧；
控制所述探针安装部与所述备用探针的探针夹持器对接，以使得所述备用探针能够作为当前所使用的探针。
可选的，所述探针驱动结构包括探针驱动组件与扫描器，所述探针直接或间接安装于所述扫描器，所述扫描器安装于所述探针驱动组件；
所述探针驱动组件电连接所述控制装置，以在所述控制装置的控制下变化所述扫描器与所述探针的位置；
所述扫描器电连接所述控制装置，以在所述控制装置的控制下驱动所述探针做所述扫描运动。
根据本发明的第二方面，提供了一种基于原子力显微镜与机械切削的层析检测方法，采用了基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，所述层析检测装置包括用于在内部形成真空环境的设备外壳、原子力显微镜、机械切削装置、控制装置，以及样品承载装置；所述样品承载装置、所述机械切削装置与所述原子力显微镜均设于所述真空环境；
所述原子力显微镜包括探针，以及用于驱动所述探针运动的探针驱动结构；所述机械切削装置包括切削刀，以及用于驱动所述切削刀运动的切削刀驱动结构；所述控制装置分别通过信号对所述探针驱动结构与所述切削刀驱动结构进行控制；
所述层析检测方法应用于所述控制装置，包括：
通过所述切削刀驱动结构，控制所述切削刀到达切削预备位置；
通过所述切削刀驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述切削刀切削所述样品承载装置上的样品表面，以形成当前待测表面；
通过所述探针驱动结构，控制所述探针与所述当前待测表面处于相互作用位置；
通过所述探针驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述探针相对于所述样品做扫描运动，并利用所述探针对所述当前待测表面进行物性测量；其中，所述扫描运动多个测量点的物理信号变化将构成当前待测表面的物性图；；
重复以上过程，在完成所述样品的N次切削，并在每次切削后均获取到对应的物性图之后，基于N张物性图，构成对应的三维层析图像；其中的N为大于或等于2的整数。
本发明提供的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置与方法中，通过控制原子力显微镜的探针与当前待测表面相互作用，并控制探针相对于样品做扫描运动，可以获取到表征了当前待测表面物性的物性图，相较于利用图像采集装置获取当前待测表面图像的现有技术，本发明的表面检测信息能够涵盖待检测表面的深度信息，进而，可获取到更丰富的信息。
由于原子力显微镜通常是应用于大气环境的，本发明在使用原子力显微镜的情况下，进一步想到形成真空环境，进而在同一真空环境中实现原子力显微镜的检测与样品的机械切削，避免了大气中杂质(气体分子、水蒸气等等)对检测、切削效果的污染，进而，有效提高了切削效果、检测效果，以及切削与检测的效率。
进一步的，区别于大气环境中的切削、检测过程，本发明针对于真空环境，通过控制装置对探针驱动结构与切割刀驱动结构的控制，实现了切削、检测过程中切削刀、探针的精确控制，保障了切削、检测的准确实施。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例中基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置的结构示意图一；
图2是本发明一实施例中基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置的结构示意图二；
图3是本发明一实施例中基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置的结构示意图三；
图4是本发明一实施例中样品台处于切削预备位置时层析检测装置的结构示意图；
图5是本发明一实施例中扫描时层析检测装置的结构示意图；
图6是本发明一实施例中采用激光组件的层析检测装置的结构示意图一；
图7是本发明一实施例中采用激光组件的层析检测装置的结构示意图二；
图8是本发明一实施例中更换探针时层析检测装置的结构示意图；
图9是本发明一实施例中基于原子力显微镜与机械切削的层析检测方法的流程示意图。
附图标记说明：
1-机械切削装置；
11-切削刀；
12-切削刀驱动结构；
13-切削刀运动轨道；
2-设备外壳；
3-样品承载装置；
31-样品台；
32-纳米位移平台；
33-换针台；
4-原子力显微镜；
41-探针；
42-探针驱动结构；
421-探针驱动组件；
422-扫描器；
43-探针夹持器；
5-控制装置；
6-样品；
7-光学装置；
71-腔外光学结构；
72-光学窗口；
73-物镜；
8-激光组件；
81-激光器；
82-探测器；
83-热传导结构；
9-电学测量装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
请参考图1，基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，包括用于在内部形成真空环境的设备外壳2、原子力显微镜4、机械切削装置1、控制装置5，以及样品承载装置3。所述样品承载装置3、所述原子力显微镜4 与所述机械切削装置1均设于所述真空环境。
所述原子力显微镜包括探针41，以及用于驱动所述探针41运动的探针驱动结构42。
其中的探针驱动结构42可以为任意可以驱动探针41运动的结构或结构的组合，其中的运动可以包括三个自由度的移动，还可以包括一个或多个自由度的旋转。后文的进一步可选方案中，还可针对于探针41的运动需求进一步配置探针驱动结构42，不论如何配置，均不脱离本发明实施例的范围。
所述样品承载装置3可以包括用于承载样品6的样品台31。部分方案中，样品台31的位置可以是固定的，在另部分方案中，所述样品承载装置 3还可以包括用于驱动所述样品台31与其上样品6运动的样品台驱动结构，该样品台驱动结构可例如是纳米位移平台32。所述纳米位移平台32电连接所述控制装置5。
所述样品台31设有冷冻组件(未图示)，所述冷冻组件用于向处于所述样品台的所述样品提供冷源，以使得所述样品处于冷冻状态。进而，在切削、探测的任意过程中，均可保持提供冷源，使得样品保持处于冷冻状态，从而便于被机械切削。所述冷源的冷冻温度处于液氮温度和室温之间，进一步的，可处于液氮温度和室温之间的一个稳定温度。
其中的纳米位移平台32，可理解为能够带动样品6实现小尺度范围内的移动，该移动具体可以是横向的移动，其可理解为平行于所切削平面的方向移动。纳米位移平台32可用于切削的过程，也可用于探测的过程，后文在相关描述中，会对其进行进一步的描述。
本发明实施例中，所述控制装置5分别通过信号对所述探针驱动结构 42与所述切削刀驱动结构12进行控制，请参考图1至图3，所述控制装置 5电连接所述探针驱动结构42与所述切割刀驱动结构12；进而，可通过相应的电信号控制探针驱动结构42与切割刀驱动结构12实施相应的运动。
控制装置5的任意处理过程可理解为本发明实施例所提供的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测方法的步骤，请结合图1与图9，所述控制装置5用于实施以下步骤：
S101：通过所述切削刀驱动结构12，控制所述切削刀到达切削预备位置；
S102：通过所述切削刀驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述切削刀切削所述样品承载装置上的样品表面，以形成当前待测表面。
请参考图4，其可视作切削刀11处于切削预备位置，进而预备被机械切削装置的切削刀11切削时的结构状态。本发明实施例中，切削刀11是切削刀驱动结构12的驱动下而运动至切削预备位置的。
此外，切削刀驱动结构12可以是沿切削刀运动轨道13驱动切削刀11 运动的。
其中，切削过程是切削刀的运动而实现的，也可以是样品的运动而实现的。
对应的一种举例中，所述控制装置在通过所述切削刀驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述切削刀切削所述样品承载装置上的样品表面，以形成当前待测表面，具体用于：
通过所述纳米位移平台，控制所述切削刀切削所述样品的表面。
对应的另一种举例中，所述控制装置在通过所述切削刀驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述切削刀切削所述样品承载装置上的样品表面，以形成当前待测表面，具体用于：
通过所述切削刀驱动结构，控制所述切削刀切削所述样品的表面。
请参考图5，所述控制装置5还用于实施以下步骤：
S103：通过所述探针驱动结构，控制所述探针与所述当前待测表面处于相互作用位置。进而可以在所述探针与所述当前待测表面之间形成相互作用力；
S104：通过所述探针驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述探针相对于所述样品做扫描运动，并利用所述探针对所述当前待测表面进行物性测量；其中，所述扫描运动多个测量点的物理信号变化将构成当前待测表面的物性图。
其中的相互作用力，可例如探针针尖原子与样品表面原子间产生的排斥力(接触或未接触的)，一种举例中，通过在扫描时控制这种力的恒定，可使得探针41的针尖随待测表面发生起伏变化。若样品6是水平设置或理解为横向设置，则：该起伏变化可理解为竖直向或竖向的。
其中的物性图，可以是能够表征出表面物性的任意信息。其中，控制装置通过信号对探针驱动结构、样品台驱动结构的控制，可理解为：基于相应的反馈回路，控制探针与样品表面间保持同一(或特定范围内)的作用力，并在该情况下进行扫描，该作用力的反馈回路可例如是通过对悬臂的测量而采集到(例如后文所涉及的检测悬臂形变应力而得到的感应信号)，基于该采集的结果可进行控制，从而实现作用力的保持。在此基础上，可实现物性测量，以及物性图的构成。
例如，控制装置实时采集探针的形变应力的感应信号(也可理解为受力形变信号)，对该信号进行滤波等处理，并依据该信号及特定的扫描策略控制探针的振动激励、扫描器的三维位移驱动、针尖与样品间的偏压、光照等信号，以获得样品的物性(例如表面形貌和理化特性信息)。
进而，基于探针扫描至不同位置时的物理信号，可获得物性图。
其中所测量的物性可例如三维形貌、粗糙度、粘附性、弹性模量、硬度、导电性、功函数、压电响应、电荷分布、磁畴分布、热分布等。
其中的物理信号可以是对探针进行检测而直接得到的信号本身(例如后文所提及的感应信号与返回光的信号)，也可以是基于该信号而得到的任意信息。
进一步地，步骤S104之后，还可包括：
S105：是否完成所述样品的N次切削，并在每次切削后均获取到对应的物性图；其中的N为大于或等于2的整数。
若步骤S105的判断结果为是，则可实施步骤S106：N张物性图，构成对应的三维层析图像，进而，可得到针对于样品的检测结果。
在步骤S106的具体实施过程中，以两张物性图为例，可利用第一张物性图和第二张物性图的空间相干性构成两个物性图的三维层析图像，进而，针对于N张物性图，可基于N张物性图的空间相干性构成至少两个物性图的三维层析图像。
部分方案中，步骤S105与步骤S106可以是控制装置5实现的，另部分方案中，步骤S105与步骤S106也可以是其他装置实现的。
可见，以上方案中，通过控制原子力显微镜的探针与当前待测表面相互作用，并控制探针做扫描运动，可以获取到表征了待测表面物性的物性图，相较于利用图像采集装置获取当前待测表面图像的现有技术，本发明的物性图能够涵盖待检测表面的深度信息，进而，可获取到更丰富的信息。
其中，可通过探针物性测量和原位切削的交替使用形成三维物性层析成像。
由于原子力显微镜通常是应用于大气环境的，本发明在使用原子力显微镜的情况下，进一步想到形成真空环境，进而在同一真空环境中实现原子力显微镜的检测与样品的机械切削，避免了大气中杂质(气体分子、水蒸气等等)对检测、切削效果的污染，进而，有效提高了切削效果、检测效果，以及切削与检测的效率。
进一步的，区别于大气环境中的切削、检测过程，本发明针对于真空环境，通过控制装置对探针驱动结构与切割刀驱动结构的控制，实现了切削、检测过程中切削刀、探针的精确控制，保障了切削、检测的准确实施。
为了对探针扫描至不同位置时的物理信号进行整合，需获悉所获取到的物理信号对应是哪个位置的。故而，其中一种实施方式中，请参考图2至图 8，所述的层析检测装置，还包括光学装置7，所述光学装置7安装于所述设备外壳2，所述光学装置7朝向于样品承载装置3(例如其中的样品台 31)所属区域，且所述样品6处于所述样品承载装置3(例如其中的样品台 31)与所述光学装置7之间，一种举例中，光学装置7采集图像的覆盖区域可覆盖样品台31与样品6的各种运动位置，同时，光学装置7的聚焦距离可以是固定的，进而，在实际使用过程中，所需采集的图像具体可以指处于焦平面的图像。
其中，所述相互作用位置匹配于所述光学装置7的焦平面；进而，因其处于焦平面，通过光学装置7可准确、清晰地观测到扫描时探针扫描运动的实际位置。
所述光学装置7用于：
采集其覆盖范围内的实时图像，并将所述实时图像发送至所述控制装置。
对应的，所述控制装置5还用于：
在所述探针做所述扫描运动时，根据所述实时图像，确定不同时间所述探针针尖相对于所述样品的探针位置信息。
进而，在所述层析检测方法中，在步骤S104之后，还可实施以上过程。
所述控制装置在利用所述探针对所述当前待测表面进行物性测量时，具体用于：(即步骤S104具体可以包括：)
根据不同时间的所述探针位置信息与所述物理信号，确定所述当前待测表面的物性图。
其中的探针位置信息，可理解为能够表征出探针针尖位置的任意信息。例如，可在实时图像中识别出探针针尖在图像中的位置，可见，其识别精度取决于光学装置的分辨率，分辨率越高，所识别出的探针针尖的位置可以做到更精准。
所述控制装置5在控制所述探针与所述当前待测表面处于相互作用位置时，具体用于(即步骤S103具体包括)：根据对应的实时图像，控制所述探针与所述当前待测表面处于所述相互作用位置。
例如，可基于实时图像，识别出样品、探针等位置，进而，基于所识别出的位置，使得样品6与探针41到达切削位置与相互作用位置。
以图4与图5为例，当样品6处于切削预备位置(以及切削时位置) 时，其已经处于所述光学装置的焦平面对应的位置，进而，可主要控制探针 41做横向与竖向运动，从而到达对应的相互作用位置，此时，样品6可以不发生移动。
此外，为了便于描述，其中的横向可视作XY平面的运动，其中的竖向可视作Z轴的运动，XY平面可视作X轴的运动与Y轴的运动。对应的，前文所涉及的扫描运动可理解为是绕Z轴的摆动。
可见，样品6可在原位实现切削与探针检测，避免了样品6的运动影响运动与检测的准确性。
此外，步骤S101与步骤S103的运动控制可以是控制装置5自动实现的，也可以由人为通过控制装置5来控制的。
进一步的，为了能够更精准地识别出探针针尖的位置，从而提高运动控制的准确性(例如提高步骤S101与步骤S103的控制准确性)，以及探针检测时位置匹配的准确性(例如步骤S104中为各时刻的物理信号匹配更准确的探针位置信息)。一种举例中，所述光学装置7还用于导入第一辅助光 (图7所示斜射至样品的光线可例如为第一辅助光)，并将所述第一辅助光引导至所述当前待测表面，以在所述当前待测表面形成第一光斑；
所述第一辅助光被配置为能够使得：
所述当前图像中，所述探针的针尖区段所表现出的光谱信息区别于所述第一光斑所覆盖的区域范围内其他区域的光谱信息，所述针尖区段的尺寸范围小于20nm。
一种举例中，其中的第一辅助光可例如为能够形成拉曼光的辅助光。
其中，针尖区段可理解为针尖末端的一段长度范围内的部分，可见，基于小于20nm，可有效提高光学装置的识别精度，从而精准地确定针尖的扫描位置，从而为物理信号匹配更精准的位置，使得物性图具有较高的分辨率。
其中一种实施方式中，为了能够获悉样品物理性能的变化性质，还可进入第二辅助光，具体的，所述光学装置7还用于导入第二辅助光(图7所示斜射至样品的光线可例如为第二辅助光)，并将所述第二辅助光引导至所述当前待测表面，以在所述当前待测表面形成第二光斑；
所述第二辅助光被配置为能够使得：
所述当前待测表面中，所述第二光斑的所覆盖的区域范围内发生变形。
一种举例中，第二辅助光可例如为红外光，通过红外光的照射，第二光斑的覆盖区域内的温度会发生变化，对应的，该区域可能会发生变形，探针扫描至该区域时，对应的物理信号可表征出该种变形。
可见，在采用红外光作为第二辅助光时，可以获悉样品温度发生变化时表面形态的变化。
请参考图3，其中一种实施方式中，光学装置7可以包括腔外光学结构71、光学窗口72与物镜73，所采集的图像的光信号可经物镜与光学窗口72进入腔外光学结构71，从而采集图像的光信号形成前文所涉及的当前图像。
其中的光学窗口72可开设于设备外壳2，腔外光学结构71可设于设备外壳2外，并连接于设备外壳2，透镜73可设于设备外壳2内，并连接于设备外壳2。
腔外光学结构71除了可以采集光信号，也可发出光信号，包括前文所涉及的第一辅助光、第二辅助光，也可包括照明光等等。
请参考图3，其中一种实施方式中，探针驱动结构42可以包括探针驱动组件421与扫描器422。所述探针41直接或间接安装于所述扫描器422，所述扫描器422安装于所述探针驱动组件421；所述探针驱动组件421电连接所述控制装置5，以在所述控制装置5的控制下变化所述扫描器422与所述探针41的位置；所述扫描器422电连接所述控制装置5，以在所述控制装置5的控制下驱动所述探针41做所述扫描运动。
通过探针驱动组件421可实现探针的运动驱动，例如可实现X轴、Y 轴、Z轴三个自由度中至少一个自由度的运动，进一步的，探针驱动组件 421可进一步实现绕X轴、Y轴、Z轴中至少之一的旋转运动，同时，本实施例也可采用不实现旋转运动的探针驱动组件421。
具体举例中，探针驱动组件421可以是通过电机驱动的，进而，探针驱动组件421可例如是测头电机组件，其中可具有至少一个自由度的驱动电机，以及相应的传动件，本领域任意可实现至少一个自由度运动的方案，均可应用于作为本发明实施例所涉及的探针驱动组件。探针驱动组件421可安装于设备外壳2。
通过扫描器422可实现扫描运动的控制，具体举例中，扫描器422可以为压电陶瓷扫描器。同时，本发明实施例也不排除采用其他形式的扫描器的方案。
具体的，探针41可固定连接于探针夹持器43(例如探针夹持器43可固定夹持探针41)，探针夹持器43可安装于扫描器422，从而在扫描器 422的驱动下实施扫描运动，扫描器422可安装于探针驱动组件421，从而使得扫描器422、安装于扫描器422的探针夹持器43与探针41能够一同被探针驱动组件421驱动运动。
为了获取探针41的物理信号，可以如图6与图7所示采用激光组件8 来实现，也可采用设于探针的感应部件来实现。
一种实施方式中，请参考图6与图7，所述的层析检测装置，还包括激光组件8，所述激光组件8包括激光器81与探测器82，所述控制装置5分别电连接所述激光器81与所述探测器82；所述探针41包括悬臂与接触部，所述悬臂连接于所述接触部与所述探针驱动结构之间，具体可连接于接触部与探针夹持器43之间；其中的悬臂与接触部可以是一体的，也可以是装配在一起的。
所述激光器81与所述探测器82相对于所述设备外壳2的位置是固定的，所述相互作用位置、所述激光器81与所述探测器82的位置相匹配，以使得：在所述探针41做所述扫描运动时，所述激光器81的激光能够入射至所述探针41的悬臂。
对应的，所述控制装置5还用于：
在所述探针41相对于所述样品6做所述扫描运动时，控制所述激光器81向所述悬臂入射激光，并获取所述探测器82接收到的返回光的信号；
所述物理信号可以是根据对应的返回光的信号确定的。
一种举例中，如图6所示，所述激光器81与所述探测器82直接或间接安装于所述设备外壳2，此时，激光器81与探测器82在真空环境下会产生大量热能，从而影响激光器、探测器的出光、探测效果，还可能会提升真空环境内的温度，影响检测效果，故而，所述激光器81与所述设备外壳2之间设有热传导结构83，所述探测器82与所述设备外壳2之间也可设有热传导结构83。其中的热传导结构83，可以为任意可将热量穿导致设备外壳2 的材料与结构。
另一举例中，如图7所示，所述激光器与所述探测器还可安装于光学装置7，具体可安装于光学装置7的腔外光学结构71，进而避免激光器与探测器82的热量累积对真空环境产生影响。
另一未图示的实施方式中，所述探针41包括悬臂、接触部，以及感应部件，所述悬臂连接于所述接触部与所述探针驱动结构之间，其中的悬臂、接触部可参照前文的相关描述理解。
所述感应部件可用于检测所述悬臂形变和/或形变应力，得到对应的感应信号；例如：感应部件可例如能够在形变应力的作用下变化部件阻值的部件，对应的感应信号可随该阻值的变化而发生变化。
所述感应部件电连接所述控制装置5，以将所述感应信号反馈至所述控制装置5；所述物理信号可以是根据对应的感应信号确定的。
此外，请参考图7，原子力显微镜4(例如其中的探针驱动结构42)与样品承载装置3之间可通过机械回路4-3实现刚性连接，该机械回路4-3可以为短程(例如小于10cm)且刚性(大于10N/m)的机械回路。
请参考图2，其中一种实施方式中，所述的层析检测装置，还包括电学测量装置9，所述电学测量装置9电连接所述探针41与所述样品6，以在所述探针41与所述样品6之间形成回路；所述电学测量装置9还电连接所述控制装置5，以获取不同时间的所述探针位置信息；进而，可以实现探针位置信息与电学参数的同步。
具体的，所述电学测量装置9用于：
获取所述回路在不同时间的电学参数；该电学参数可例如是回路的电流、电压、功率、温度等任意之一参数；
根据不同时间的所述电学参数与不同时间的所述探针位置信息，确定所述当前待测表面的表面电学信息，所述表面电学信息表征了所述探针的针尖相对于所述样品到达不同位置时所述电学参数的变化；
在完成所述样品的N次切削，并在每次切削后均获取到对应的表面电学信息之后，整合所述N次切削对应的N组表面电学信息。
在图2所示方案中，以上过程可利用电学测量装置9来实现，在其他方案中，以上过程也可利用控制装置5来实现，即：以上过程也可作为层析检测方法的步骤。
请参考图2，并结合图1、图3至图8所示的构造，针对于以上所描述的构造：
控制装置5可通过切削刀控制信号S-0控制切削刀驱动结构；
控制装置5可通过激光器控制信号S-1控制激光器发出激光，并通过光电探测器信号S-2获取到返回光的信号。
若探针驱动组件421采用测头电机组件，则：控制装置5可以通过侧头电机控制信号S-3控制探针驱动组件。
若扫描器422采用压电陶瓷扫描器，则：控制装置5可以通过压电扫描器控制信号S-4控制扫描器422做扫描运动。
控制装置5还可通过悬臂梁振动激励信号S-5控制探针41与样品6之间的相互作用力，例如，可控制相互作用力保持一致，从而使得：做扫描运动时，探针41的针尖可以随样品6表面起伏。
控制装置5还可电连接设于样品台31的温度控制部件(例如冷冻组件)，从而通过样品台温度控制信号S-6控制样品台及其上样品6的温度。
控制装置5可通过样品台电机控制信号S-7控制纳米位移平台32。
控制装置5与光学装置7之间还可通过光学系统同步控制信号S-8获取实时图像，从而基于实时图像确定探针位置信息。
控制装置5与电学测量装置9之间还可通过电学测量单元控制信号S-9 同步探针位置信息，从而使得电学参数能够基于探针位置信息整合在一起。
电学测量装置9还可通过探针电学信号S-10与样品电学信号S-11采集相应的电学参数。
除了以上所阐述的功能，基于真空环境，具体实施过程中，还可实现探针的更换。
请参考图8，所述的层析检测装置，还包括换针台33，其可设于样品台或纳米位移平台，也可独立于样品台与纳米位移平台设置，所述探针驱动结构设有探针安装部(例如可以是能够产生吸附作用的吸附部件)，所述探针 41通过探针夹持器43可分离地安装于所述探针安装部(例如吸附于探针安装部)，所述换针台33上设有至少两个探针容置位。
图8所示的换针台33上的探针41可视作备用探针。
若所述至少两个探针容置位包括空置的第一容置位与已容置了备用探针及其探针夹持器的第二容置位，则：
所述控制装置5还用于：
通过所述探针驱动结构42，控制所述探针41及其探针夹持器43进入所述第一容置位；
控制所述探针安装部与对应的探针夹持器分离，以使得所述探针及其探针夹持器能够留置于所述第一容置位；其中，例如可通过控制吸附部件不再吸附来实现分离；
通过所述探针驱动结构，控制所述探针安装部移动至所述第二容置位外侧；
控制所述探针安装部与所述备用探针的探针夹持器对接，以使得所述备用探针能够作为当前所使用的探针；其中，例如可通过控制吸附部件的吸附来实现对接。
通过以上图8所示的过程，可实现真空环境下的探针更换，进而，可避免打开设备外壳实现探针更换，保障了检测过程中的工作效率。
部分举例中，样品承载装置3还可包括主动隔振台，纳米位移平台32与样品台31可直接或间接安装于主动隔振台，主动隔振台可收设备外壳2。
部分举例中，设备外壳2的顶部可设有观察窗，设备外壳2的侧壁可设有电学接2与光学接口，利用电学接口，可实现内部各构造与控制装置5、电学测量装置9之间的电信号传输。
设备外壳2的侧壁还可设有光学接口，进而，光学装置7可经光学接口作用于真空环境内。
综上所述，本发明实施例提供的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置与方法中，通过控制原子力显微镜的探针与当前待测表面相互作用，并控制探针相对于样品做扫描运动，可以获取到表征了表面物性的物性图，相较于利用图像采集装置获取当前待测表面图像的现有技术，本发明的表面检测信息能够涵盖待检测表面的深度信息，进而，可获取到更丰富的信息。
由于原子力显微镜通常是应用于大气环境的，本发明在使用原子力显微镜的情况下，进一步想到形成真空环境，进而在同一真空环境中实现原子力显微镜的检测与样品的机械切削，避免了大气中杂质(气体分子、水蒸气等等)对检测、切削效果的污染，进而，有效提高了切削效果、检测效果，以及切削与检测的效率。
进一步的，区别于大气环境中的切削、检测过程，本发明针对于真空环境，通过控制装置对探针驱动结构与切割刀驱动结构的控制，实现了切削、检测过程中切削刀、探针的精确控制，保障了切削、检测的准确实施。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (16)
1.一种基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，包括用于在内部形成真空环境的设备外壳、原子力显微镜、机械切削装置、控制装置，以及样品承载装置；所述样品承载装置、所述机械切削装置与所述原子力显微镜均设于所述真空环境；
所述原子力显微镜包括探针，以及用于驱动所述探针运动的探针驱动结构；所述机械切削装置包括切削刀，以及用于驱动所述切削刀运动的切削刀驱动结构；所述控制装置分别通过信号对所述探针驱动结构与所述切削刀驱动结构进行控制；
所述控制装置用于：
通过所述切削刀驱动结构，控制所述切削刀到达切削预备位置；
通过所述切削刀驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述切削刀切削所述样品承载装置上的样品表面，以形成当前待测表面；
通过所述探针驱动结构，控制所述探针与所述当前待测表面处于相互作用位置，并通过所述探针驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述探针相对于所述样品做扫描运动，利用所述探针对所述当前待测表面进行物性测量；其中，所述扫描运动多个测量点的物理信号变化将构成当前待测表面的物性图；
重复以上过程，以利用机械切削再次切削试样表面并形成新的当前测量表面，重复探针表面物性测量和扫描。
2.根据权利要求1所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，所述样品承载装置包括样品台，所述样品台设有冷冻组件，所述冷冻组件用于向处于所述样品台的所述样品提供冷源，以使得所述样品处于冷冻状态。
3.根据权利要求2所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，所述冷源的冷冻温度处于液氮温度和室温之间。
4.根据权利要求2所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，所述样品承载装置还包括纳米位移平台，所述样品台安装于所述纳米位移平台；所述纳米位移平台电连接所述控制装置；
所述控制装置在通过所述切削刀驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述切削刀切削所述样品承载装置上的样品表面，以形成当前待测表面，具体用于：
通过所述纳米位移平台，控制所述切削刀切削所述样品的表面。
5.根据权利要求4所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，所述控制装置在通过所述探针驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述探针相对于所述样品做扫描运动时，具体用于：
通过所述探针驱动结构和所述纳米位移平台，控制所述探针相对于所述样品做扫描运动。
6.根据权利要求1所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，还包括光学装置，所述光学装置安装于所述设备外壳，所述光学装置朝向于所述样品承载装置所属区域，且所述样品处于所述样品承载装置与所述光学装置之间；所述样品承载装置的位置匹配于所述光学装置的焦平面，以使得处于所述样品承载装置的所述样品能够处于所述焦平面；
所述光学装置用于：
采集其覆盖范围内的实时图像，并将所述实时图像发送至所述控制装置；
所述控制装置还用于：
在所述探针相对于所述样品做所述扫描运动时，根据所述实时图像，确定不同时间所述探针针尖相对于所述样品的探针位置信息；
所述控制装置在利用所述探针对所述当前待测表面进行物性测量时，具体用于：
根据不同时间的所述探针位置信息与所述物理信号，确定所述当前待测表面的物性图。
7.根据权利要求6所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，所述光学装置还用于导入第一辅助光，并将所述第一辅助光引导至所述当前待测表面，以在所述当前待测表面形成第一光斑；
所述第一辅助光被配置为能够使得：
所述当前图像中，所述探针的针尖区段所表现出的光谱信息区别于所述第一光斑所覆盖的区域范围内其他区域的光谱信息，所述针尖区段的尺寸范围小于20nm。
8.根据权利要求6所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，所述光学装置还用于导入第二辅助光，并将所述第二辅助光引导至所述当前待测表面，以在所述当前待测表面形成第二光斑；
所述第二辅助光被配置为能够使得：
所述当前待测表面中，所述第二光斑的所覆盖的区域范围内发生变形。
9.根据权利要求6至8任一项所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，还包括电学测量装置，所述电学测量装置电连接所述探针与所述样品，以在所述探针与所述样品之间形成回路；所述电学测量装置还电连接所述控制装置，以获取不同时间的所述探针位置信息；
所述电学测量装置用于：
获取所述回路在不同时间的电学参数；
根据不同时间的所述电学参数与不同时间的所述探针位置信息，确定所述当前待测表面的表面电学信息，所述表面电学信息表征了所述探针的针尖相对于所述样品到达不同位置时所述电学参数的变化；
在完成所述样品的N次切削，并在每次切削后均获取到对应的表面电学信息之后，整合所述N次切削对应的N组表面电学信息。
10.根据权利要求1至8任一项所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，还包括激光组件，所述激光组件包括激光器与探测器，所述控制装置分别电连接所述激光器与所述探测器；所述探针包括悬臂与接触部，所述悬臂连接于所述接触部与所述探针驱动结构之间；
所述激光器与所述探测器相对于所述设备外壳的位置是固定的，所述相互作用位置、所述激光器与所述探测器的位置相匹配，以使得：在所述探针相对于所述样品做所述扫描运动时，所述激光器的激光能够入射至所述探针的悬臂；
所述控制装置还用于：
在所述探针相对于所述样品做所述扫描运动时，控制所述激光器向所述悬臂入射激光，并获取所述探测器接收到的返回光的信号；
所述物理信号是根据对应的返回光的信号确定的。
11.据权利要求10所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，所述激光器与所述探测器直接或间接安装于所述设备外壳，或者安装于光学装置；
若所述激光器与所述探测器直接或间接安装于所述设备外壳，则：所述激光器与所述设备外壳之间设有热传导结构，所述探测器与所述设备外壳之间也设有热传导结构。
12.根据权利要求1至8任一项所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，所述控制装置还用于：
在完成所述样品的N次切削，并在每次切削后均获取到对应的物性图之后，基于N张物性图，构成对应的三维层析图像；其中的N为大于或等于2的整数。
13.根据权利要求1至8任一项所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，所述探针包括悬臂、接触部，以及感应部件，所述悬臂连接于所述接触部与所述探针驱动结构之间；
所述感应部件用于检测所述悬臂形变和/或形变应力，得到对应的感应信号；
所述感应部件电连接所述控制装置，以将所述感应信号反馈至所述控制装置；
所述物理信号是根据对应的感应信号确定的。
14.根据权利要求1至8任一项所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，还包括换针台，所述探针驱动结构设有探针安装部，所述探针通过探针夹持器可分离地安装于所述探针安装部，所述换针台上设有至少两个探针容置位；
若所述至少两个探针容置位包括空置的第一容置位与已容置了备用探针及其探针夹持器的第二容置位，则：
所述控制装置还用于：
通过所述探针驱动结构，控制所述探针及其探针夹持器进入所述第一容置位；
控制所述探针安装部与对应的探针夹持器分离，以使得所述探针及其探针夹持器能够留置于所述第一容置位；
通过所述探针驱动结构，控制所述探针安装部移动至所述第二容置位外侧；
控制所述探针安装部与所述备用探针的探针夹持器对接，以使得所述备用探针能够作为当前所使用的探针。
15.根据权利要求1至8任一项所述的基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，其特征在于，所述探针驱动结构包括探针驱动组件与扫描器，所述探针直接或间接安装于所述扫描器，所述扫描器安装于所述探针驱动组件；
所述探针驱动组件电连接所述控制装置，以在所述控制装置的控制下变化所述扫描器与所述探针的位置；
所述扫描器电连接所述控制装置，以在所述控制装置的控制下驱动所述探针做所述扫描运动。
16.一种基于原子力显微镜与机械切削的层析检测方法，其特征在于，采用了基于原子力显微镜与机械切削的层析检测装置，所述层析检测装置包括用于在内部形成真空环境的设备外壳、原子力显微镜、机械切削装置、控制装置，以及样品承载装置；所述样品承载装置、所述机械切削装置与所述原子力显微镜均设于所述真空环境；
所述原子力显微镜包括探针，以及用于驱动所述探针运动的探针驱动结构；所述机械切削装置包括切削刀，以及用于驱动所述切削刀运动的切削刀驱动结构；所述控制装置分别通过信号对所述探针驱动结构与所述切削刀驱动结构进行控制；
所述层析检测方法应用于所述控制装置，包括：
通过所述切削刀驱动结构，控制所述切削刀到达切削预备位置；
通过所述切削刀驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述切削刀切削所述样品承载装置上的样品表面，以形成当前待测表面；
通过所述探针驱动结构，控制所述探针与所述当前待测表面处于相互作用位置；
通过所述探针驱动结构和/或所述样品承载装置，控制所述探针相对于所述样品做扫描运动，并利用所述探针对所述当前待测表面进行物性测量；其中，所述扫描运动多个测量点的物理信号变化将构成当前待测表面的物性图；
重复以上过程，在完成所述样品的N次切削，并在每次切削后均获取到对应的物性图之后，基于N张物性图，构成对应的三维层析图像；其中的N为大于或等于2的整数。
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