CN113588990A - 用于原子力显微镜的样品台、测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于原子力显微镜的样品台、测试系统。该样品台包括：底座，用于安装于原子力显微镜的载物台上；样品基座，设置于所述底座上，所述样品基座的背向所述底座的承载面用于放置待测样品，且所述样品基座上开设有至少两个安装孔，所述安装孔的一端穿过所述承载面；至少两个电极，所述电极设置于所述安装孔中，且所述电极的靠近承载面的电极顶端用于电连接所述待测样品的表面电极，所述电极的与所述电极顶端相对的电极底端用于电连接外部线路。在不改变原子力显微镜成像系统的基础上，对样品台进行改造，由于不需要通过焊接来引出表面电极，不会造成表面凹凸不平，且不采用夹紧方式引出，不会损坏样品。
Description
技术领域
本发明属于原子力显微测试技术领域，具体地讲，涉及用于原子力显微镜的样品台、测试系统。
背景技术
原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)是通过微观纳米尺度的探针对样品进行逐行扫描，通过探针振动幅度的变化，来得到材料的表面信息，包括形貌，表面电势，微区光电流等。因此AFM在生物和能源领域具有非常广泛的应用。但是针对某些功能性材料如铁电性，压电性或者光电性材料，需要对样品本身施加直流交流电压，进行器件层面的电学分析；或者对样品进行光照。这就要求在原子力显微镜内部置放电学光学表征设备。对于像高度集成化原子力显微镜，其内部可操作的空间极为狭小，无法实现原位表征。若采用传统的焊接方法引出电极，电极表面的凹凸不平可能会在扫描过程中造成探针的永久损坏。现有技术中有能够将样品电极引出的方法，其实现方式多为电极薄片夹在样品电极上，如CN202010975483.2，对于较为柔软的电极材料来说，容易造成电极破材料破损。
发明内容
(一)本发明所要解决的技术问题
本发明解决的技术问题是：如何在样品表面引出电极时避免对样品和扫描探针造成损坏。
(二)本发明所采用的技术方案
一种用于原子力显微镜的样品台，所述样品台包括：
底座，用于安装于原子力显微镜的载物台上；
样品基座，设置于所述底座上，所述样品基座的背向所述底座的承载面用于放置待测样品，且所述样品基座上开设有至少两个安装孔，所述安装孔的一端穿过所述承载面；
至少两个电极，所述电极设置于所述安装孔中，且所述电极的靠近承载面的电极顶端用于电连接所述待测样品的表面电极，所述电极的与所述电极顶端相对的电极底端用于电连接外部线路。
优选地，所述样品基座的与所述承载面相对的背面与所述底座之间具有间隙，所述安装孔的另一端穿过所述背面，所述间隙用于通过外部线路以与靠近所述背面的所述电极底端电连接。
优选地，所述背面设置有若干朝所述底座延伸的立柱，各个所述立柱均与所述底座固定连接。
优选地，各个所述立柱的内侧部分凹陷形成卡口，各个所述卡口共同卡合所述底座的外缘，以使得所述底座嵌入于各个所述立柱之间。
优选地，所述电极为弹簧金属顶针电极，所述弹簧金属顶针电极的电极顶端伸出于安装孔之外，且所述电极顶端用于弹性抵接所述待测样品的表面电极。
优选地，所述样品台还包括光源，所述光源设置于所述间隙中，且所述承载面上与所述光源相对的位置上开设有通光孔。
优选地，所述光源的引脚与所述弹簧金属顶针电极的电极底端连接。
优选地，所述通光孔位于各个所述安装孔之间。
优选地，所述底座为磁性底座，且所述底座的朝向所述样品底座的表面上设置有绝缘层。
本申请还公开了一种测试系统，所述测试系统包括原子力显微镜、测试设备和任一种上述的样品台，所述样品台的底座固定于所述原子力显微镜的载物台上，所述电极底端与所述测试设备电连接。
(三)有益效果
本发明公开了一种用于原子力显微镜的样品台、测试系统，相对于现有技术，具有如下技术效果：
在不改变原子力显微镜成像系统的基础上，对样品台进行改造，使其能够满足多种多样的微观、宏观等表征方法，且样品台体积小，可安全的放入AFM载物台，不会引起探针和其他精密机械配件损坏，且不会产生较大的机械噪声。另外样品台仅需要将待测样品表面电极通过银浆刷下至电极顶端处，电极通过磁头电线连接到外面的电学分析仪器上，这就实现了良好的欧姆接触，可以保证样品本身输出信号采集的准确性和较高的信噪比。
附图说明
图1为本发明的实施例一的用于原子力显微镜的样品台的侧面示意图；
图2为本发明的实施例一的用于原子力显微镜的样品台的分解示意图；
图3为本发明的实施例一的用于原子力显微镜的样品台的俯视图；
图4为本发明的实施例二的测试系统的原理框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在详细描述本申请的各个实施例之前，首先简单描述本申请的发明构思：现有技术中引出样品表面电极的方法，要么会导致电极表面的凹凸不平，造成扫描探针损坏，要么会损坏样品，本申请提供了一种样品台，包括相对设置的底座和样品基座，底座用于安装在原子力显微镜的载物台，样品基座用于承载待测样品，且样品基座上设置有若干电极，电极的顶端用于电连接待测样品的表面电极，电极的底端用于电连接外部设备，便于将待测样品的表面电极引出，由于不需要通过焊接来引出表面电极，不会造成表面凹凸不平，且不采用夹紧方式引出，不会损坏样品。
具体来说，本实施例一公开了一种用于原子力显微镜的样品台，如图1和图2所示，样品台包括底座10、样品基座20和至少两个电极30，其中底座10用于安装于原子力显微镜的载物台上；样品基座20设置于底座10上，样品基座20的背向底座10的承载面用于放置待测样品，且样品基座20上开设有至少两个安装孔21，安装孔21的一端穿过承载面20a；至少两个电极30，电极30设置于安装孔21中，且电极30的靠近承载面20a的电极顶端30a用于电连接待测样品的表面电极，电极30的与电极顶端30a相对的电极底端30b用于电连接外部线路。
进一步地，样品基座20的与承载面20a相对的背面20b与底座10之间具有间隙A，安装孔21的另一端穿过背面20b，间隙A用于通过外部线路以与靠近背面20b的电极底端30b电连接。当然在其他实施方式中，也可以在样品基座20的侧壁设置开口，开口与安装孔21连通，外部线路穿过开口，与电极底端30b电连接。
示例性地，背面20b设置有若干朝底座10延伸的立柱22，各个立柱22均与底座10固定连接。为了方便描述，本实施例一的样品基座20和底座10均为薄圆柱体形，作为优选实施例，立柱22的数量为4个，均匀且呈圆周分布。安装孔21的数量也优选为4个，安装孔21与立柱22交错分布。当然，立柱22和安装孔21的数量、分布方式可根据实际情况进行调整。
进一步地，各个立柱22的内侧部分凹陷形成卡口22a，各个卡口22a共同卡合底座10的外缘，以使得底座10嵌入于各个立柱22之间，底座10与立柱22底面平齐，这样可以减薄样品台的整体厚度。
进一步地，电极30为弹簧金属顶针电极，安装孔21的形状与弹簧金属顶针电极的形状想匹配，弹簧金属顶针电极的电极顶端30a伸出于安装孔21之外，且电极顶端30a用于弹性抵接待测样品的表面电极，采用弹簧金属顶针电极，可以增强电极与样品之间的连接紧密性。待测样品的表面电极具有多种设置方式，例如可以直接在待测样品的底部设置表面电极，在待测样品的侧面设置表面电极，当待测样品放置在承载面20a上时，表面电极压合下方的电极顶端30a，从而实现电连接。当然在其他实施方式中，电极30也可以采用其他类型的电极。
示例性地，样品基座20由有机绝缘材料如光敏树脂，通过3D的方法打印制备而成，样品基座20下方呈中心对称的位置上打印四个立柱22。样品基座20和立柱22可以一起打印，也可以分别打印，随后将立柱22粘在样品台基座下方。立柱22外环边缘与样品基座20外环边缘保持平齐。立柱22构成的内圆半径约为样品基座20半径的4/5。内圆半径即为底座10的半径，以紧密嵌入立柱。样品基座20和底座10上的间距，即立柱22的高度，应大于弹簧金属顶针电极的最大压缩行程，使得弹簧金属顶针电极在工作长度的情况下，刚好将电极顶端伸出于安装孔21外。
示例性地，弹簧金属顶针电极的位置与样品基座20上面的安装孔21对应放置，如图3所示，俯视图展示了四个安装孔21，而弹簧金属顶针电极的数目可以根据样品实际需求设置，图1放置了两个，仅为本实施例所需。弹簧金属顶针电极上端截面大小应小于待测样品的表面电极的尺寸，以保证不损坏表面电极附近的材料本身。而下端尺寸应小于样品基座20下方的立柱22的截面尺寸。弹簧金属顶针电极应放于样品基座20的外边缘1—2mm处，以不接触底座10和样品基座20下方的立柱22为准。
其中，样品台还包括光源40，光源40设置于间隙A中，且承载面20a上与光源40相对的位置上开设有通光孔23，光源40的引脚与电极30的电极底端电连接。示例性地，光源40采用LED光源，LED光源位于样品基座20和底座10之间，接近于样品基座20上方的通光孔23，通过LED的两个引脚焊接在弹簧金属顶针电极的电极底端。如图所示，将通光孔23设置为圆形且为样品基座20的几何中心，但同样仅限于本实施例，其位置按照测试需要进行调整。通光孔23和安装孔21既可以随样品基座20一起通过3D打印的方式形成，也可以在全部实心打印之后，用剪刀刻出。通光孔23的尺寸既满足与样品所需被照光的面积，又不大于立柱22所围成的内圆空间。
进一步地，底座10为磁性底座，且底座10的朝向样品底座的表面上设置有绝缘层。例如，底座10可采用铁片底座，这样可以通过磁力吸附的方式贴合在原子力显微镜的载物台上，通过设置绝缘层避免电极30与底座10发生误接触而造成短路等情况。
示例性地，本实施例一样品台的使用方法包括如下步骤：将待测样品用强粘性胶粘贴在样品基座20上方，将待测样品的表面电极用银浆刷下连接至电极顶端，将样品台放置在AFM载物台上；通过具有磁力电极头的电线将电极底端引出，接在外接电源的高低电平端，便于施加电场；同时将LED光源的两个引脚通过弹簧金属顶针电极引出，接在外接电源上，便于控制光强，然后开展AFM相关测量。
本实施例一提供的用于原子力显微镜的样品台，在不改变原子力显微镜成像系统的基础上，对样品台进行改造，使其能够满足多种多样的微观、宏观等表征方法，且样品台体积小，可安全的放入AFM载物台，不会引起探针和其他精密机械配件损坏，且不会产生较大的机械噪声。另外本实施例一的样品台仅需要将待测样品表面电极通过银浆刷下至电极顶端处，电极通过磁头电线连接到外面的电学分析仪器上，这就实现了良好的欧姆接触，可以保证样品本身输出信号采集的准确性和较高的信噪比。
如图4所示，本实施例二还提供了一种测试系统，该测试系统包括原子力显微镜200、测试设备300和实施例一中的样品台100，样品台100的底座10固定于原子力显微镜200的载物台上，电极底端30b与测试设备300电连接。本实施例二中的原子力显微镜可以为Cypher ES原子力显微镜。Cypher ES具有保护气氛的密闭空间，开放性不强，因此载物台空间非常狭小，通过引线引出弹簧金属顶针电极，再将引线连接到电化学工作站的高低电平端口，易于实现原位测试。本实施例二的测试设备以电化学工作站为例，也可以是铁电分析仪，或者任何其他光电测试仪器。
上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于原子力显微镜的样品台，其特征在于，所述样品台包括：
底座，用于安装于原子力显微镜的载物台上；
样品基座，设置于所述底座上，所述样品基座的背向所述底座的承载面用于放置待测样品，且所述样品基座上开设有至少两个安装孔，所述安装孔的一端穿过所述承载面；
至少两个电极，所述电极设置于所述安装孔中，且所述电极的靠近承载面的电极顶端用于电连接所述待测样品的表面电极，所述电极的与所述电极顶端相对的电极底端用于电连接外部线路。
2.根据权利要求1所述的用于原子力显微镜的样品台，其特征在于，所述样品基座的与所述承载面相对的背面与所述底座之间具有间隙，所述安装孔的另一端穿过所述背面，所述间隙用于通过外部线路以与靠近所述背面的所述电极底端电连接。
3.根据权利要求2所述的用于原子力显微镜的样品台，其特征在于，所述背面设置有若干朝所述底座延伸的立柱，各个所述立柱均与所述底座固定连接。
4.根据权利要求3所述的用于原子力显微镜的样品台，其特征在于，各个所述立柱的内侧部分凹陷形成卡口，各个所述卡口共同卡合所述底座的外缘，以使得所述底座嵌入于各个所述立柱之间。
5.根据权利要求3所述的用于原子力显微镜的样品台，其特征在于，所述电极为弹簧金属顶针电极，所述弹簧金属顶针电极的电极顶端伸出于安装孔之外，且所述电极顶端用于弹性抵接所述待测样品的表面电极。
6.根据权利要求2所述的用于原子力显微镜的样品台，其特征在于，所述样品台还包括光源，所述光源设置于所述间隙中，且所述承载面上与所述光源相对的位置上开设有通光孔。
7.根据权利要求6所述的用于原子力显微镜的样品台，其特征在于，所述光源的引脚与所述弹簧金属顶针电极的电极底端连接。
8.根据权利要求6所述的用于原子力显微镜的样品台，其特征在于，所述通光孔位于各个所述安装孔之间。
9.根据权利要求1所述的用于原子力显微镜的样品台，其特征在于，所述底座为磁性底座，且所述底座的朝向所述样品底座的表面上设置有绝缘层。
10.一种测试系统，其特征在于，所述测试系统包括原子力显微镜、测试设备和权利要求1至9任一项所述的样品台，所述样品台的底座固定于所述原子力显微镜的载物台上，所述电极底端与所述测试设备电连接。
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