CN1445790A - 卧式原子力显微镜探头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卧式原子力显微镜探头。它具有XYZ压电陶瓷及样品台组成的扫描与反馈控制器和由微悬臂探针、激光器及位置敏感元件(PSD)组成的光电检测系统。本发明的优点是结构简洁，技术条件易于实现。由于采用了卧式结构，使原子力方向与微悬臂的重力方向相互垂直，从而有效地避免了重力对原子力的影响，提高了原子力的作用效率和精度。因此，本发明除了原理新颖，结构简洁，易于操作等特点外，更主要的是克服了立式原子力显微镜探头的局限性。因此可获得更好的纳米检测与成像性能。广泛适用于导体、半导体和绝缘体样品，可望在众多科技与工业领域得到广泛应用。

Description

卧式原子力显微镜探头
                      技术领域
本发明涉及一种原子力显微镜探头，用于微/纳米材料和器件的纳米检测，尤其涉及一种卧式原子力显微镜探头。
                      背景技术
纳米技术是二十世纪八十年代发展起来的高新科技。各发达国家都将纳米技术作为二十一世纪新的产业革命的核心，我国也在科技发展战略中将纳米技术列为优先发展的领域。以扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜(AFM)为代表的扫描探针显微镜(SPM)技术和纳米检测技术，是纳米技术发展的重要基础。而在SPM家族中，又以AFM的应用领域更为广泛，因为大多数纳米材料均为非导体样品。目前，国际上AFM仪器的应用较为普及，而我国则仍基本依赖进口。尽管进口仪器的性能已日趋完善，但是毋庸讳言，这类仪器的昂贵价格、严格的操作要求，以及对某些关键进口部件的依赖，大大限制了AFM在国内的推广应用，从而在很大程度上制约了我国纳米科技的发展普及。为此迫切需要将AFM国产化，并根据国情尽可能提高仪器的性能/价格比。近年来，我们在STM和AFM的研制及实用化方面做了大量的工作。特别是在新型卧式AFM的研究中形成了自身的特色，该型AFM克服了立式AFM的某些局限性，仪器的性能/价格比具有明显的优势，已经在国内科研院所的物理学、化学、材料学、生物学、微电子学、微型机械和光电子学等领域得到广泛应用。为促进我国纳米技术的发展和普及作出了贡献。
                          发明内容
本发明涉的目的是提供一种卧式原子力显微镜探头。
它具有XYZ压电陶瓷及样品台组成的扫描与反馈控制器和由微悬臂探针、激光器及位置敏感元件(PSD)组成的光电检测系统。
本发明的卧式原子力显微镜探头，利用针尖与样品之间的微弱原子力，使微悬臂产生偏转，通过光电检测方法检测偏转量的大小，从而在针尖与样品作相对扫描的过程中获取样品表面的三维纳米结构形貌。而探头的卧式结构，其优点是结构简洁，技术条件易于实现。由于采用了卧式结构，使原子力方向(图中水平方向)与微悬臂(含针尖)的重力方向(图中垂直方向)相互垂直，从而有效地避免了重力对原子力的影响，提高了原子力的作用效率和精度。因此，本发明的卧式原子力显微镜探头，除了原理新颖，结构简洁，易于操作等特点外，更主要的是克服了立式原子力显微镜探头的局限性。因此可获得更好的纳米检测与成像性能。此外，针尖与任何固体样品表面之间均可产生原子力作用，不受样品的导电性限制，因而本发明的卧式原子力显微镜探头广泛适用于导体、半导体和绝缘体样品，可望在众多科技与工业领域得到广泛应用。
                         附图说明
图1是卧式原子力显微镜的工作原理示意图；
图2是卧式原子力显微镜探头的一个实施例平面示意图(I型)；
图3是卧式原子力显微镜探头的另一个实施例平面示意图(II型)；
                      具体实施方式
原子力显微镜的核心部件是由扫描与反馈控制器和光电检测系统组成的探头，它直接影响原子力显微镜的检测分辨率、检测精度、扫描范围及信噪比等性能。本发明的目的，在于发明一种卧式原子力显微镜探头，使原子力显微镜系统获得更好的纳米检测性能。
图1所示是卧式原子力显微镜的工作原理示意图。本发明的卧式原子力显微镜探头，包括由XYZ压电陶瓷及样品台组成的扫描与反馈控制器1和由微悬臂探针、激光器及位置敏感元件(PSD)组成的光电检测系统2两大部分。AFM采用对微弱力极其敏感的微悬臂作为力传感器——微探针。微悬臂一端固定，另一端置有一与微悬臂平面垂直的金字塔状微针尖。当针尖与样品之间的距离逼近到一定程度时，两者间将产生相互作用的原子力，推动微悬臂偏转。微悬臂的偏转量十分微小，无法进行直接检测，需要采用光束偏转法进行间接测量。其原理是，一束激光投射到微悬臂的外端后被反射，反射光束被位置敏感元件接收。显然，位置敏感元件光敏面上的光斑的偏转位移量，与微悬臂的偏转量成正比，但前者比后者放大了一千至数千倍，放大后的位移量可以直接通过检测位置敏感元件的输出光电流的大小而精确测定。由于原子力的大小与针尖一一样品间距成一定的对应关系，即与样品表面的起伏具有对应关系。当样品相对于针尖作横向扫描时，作用于针尖上的原子力随样品表面的起伏而变化，检测位置敏感元件输出光电流的大小，即可推知微悬臂偏转量(对应于原子力)的大小，最终获得样品表面的纳米级微观形貌。
样品相对于针尖的横向扫描，由X和Y轴压电陶瓷实现。当在压电陶瓷的电极上施加正负电压时，压电陶瓷将在轴向作伸缩。由计算机产生的具有一定频率、幅值和波形的扫描电压信号，经过计算机接口输出，并经XY扫描电路放大后，施加到X和Y轴压电陶瓷上，使压电陶瓷作伸缩运动，从而使样品随样品台在横向作扫描运动。
另一方面，针尖与样品之间在Z向(图中水平方向)也需要保持一定的距离。距离太远时，针尖与样品之间没有原子力作用；距离太近时，针尖可能被折断。采用了Z向反馈控制电路使针尖与样品之间保持适当距离。Z向反馈控制电路根据微悬臂偏转量的大小，调整施加在Z轴压电陶瓷上的电压大小。当针尖与样品间距离较远时，施加正电压使此压电陶瓷伸长，即让样品适当靠近针尖，反之则使压电陶瓷收缩，从而始终将针尖与样品控制在适当距离。
位置敏感元件输出的光电流信号(对应于样品的表面形貌信息)，经过信号检测与处理电路的放大处理后，通过计算机接口输入到计算机，由此绘制出样品表面的三维微观形貌。
在图2所示的原子力显微镜的I型卧式探头中，卧式探头由扫描与反馈控制器1和光电检测系统2两大部分组成。扫描与反馈控制器1包括X轴压电陶瓷3，Y轴压电陶瓷4，Z轴压电陶瓷5，样品台6及样品7。X、Y、Z轴压电陶瓷三者互相垂直，它们的一端均与样品台粘合，另一端分别固定，样品粘合固定在样品台上。光电检测系统2包括微悬臂(含针尖)8，激光器9，位置敏感元件10，微调机构11等部分。激光器发射的激光束从微悬臂的外端反射后，投射到位置敏感元件的光敏面上，位置敏感元件输出一个与反射光斑在光敏面上的位置相对应的光电流信号。调节微调机构可使光电检测系统2向扫描与反馈控制器1移动，也就是可使微悬臂与针尖向样品表面逼近。当微悬臂与针尖向样品表面逼近到一定距离时，两者之间将产生微弱的原子力(沿图2中水平方向)，推动微悬臂作微量偏转。由于从微悬臂到位置敏感元件的光路长度(约7.5厘米)远远大于微悬臂的长度(100μm或200μm)，根据杠杆原理，在位置敏感元件的光敏面上的光斑偏移量将是微悬臂偏转量的数千倍，因此可检测到可观的输出光电流变化。当控制X和Y轴压电陶瓷作伸缩运动，即控制样品相对于针尖作XY扫描运动时，位置敏感元件的输出光电流大小随样品表面的起伏而变化，利用图1所示的信号检测与处理电路检测记录光电流的变化，通过计算机系统即可绘制出样品表面的三维纳米结构形貌。
原子力显微镜的I型卧式探头，将扫描与反馈控制器和光电检测系统设计成卧式结构，使原子力方向与微悬臂及针尖的重力方向垂直，从而避免了两种微弱力之间的相互干扰，提高了原子力的作用效率和精度。同时，在该形探头中，样品、微悬臂与针尖、光电检测系统等以水平排列的方式展现在操作者眼前，易于探头的操作，特别是易于对针尖——样品间距的监控，因此具有更好的可操作性。
图3所示的原子力显微镜的II型卧式探头，也包括扫描与反馈控制器1和光电检测系统2两大部分。扫描与反馈控制器1由管状压电陶瓷12，固定块13，基座14，样品台6和样品7组成。光电检测系统2同样由微悬臂(含针尖)8，激光器9，位置敏感元件10和微调机构11等部分组成。管状压电陶瓷外表面和内表面均镀有金属电极，内表面为Z电极；外表面沿长度方向均匀分割成四等分，每一等分为一个电极，依次为X+、Y+、X-、Y-电极。在X+和X-电极上分别施加正电压和负电压，可使样品沿X轴正方向作扫描运动，反之，在X+和X-电极上分别施加负电压和正电压，则使样品沿X轴负方向作扫描运动；同样，在Y+和Y-电极上分别施加正电压和负电压，可使样品沿Y轴正方向作扫描运动，反之则使样品沿Y轴负方向作扫描运动。在压电陶瓷管内表面Z电极上施加正电压，则使陶瓷管整体伸长，使样品更逼近针尖，反之使样品远离针尖，据此同样可达到对针尖——样品间距的反馈控制的目的。图3所示的原子力显微镜的II型卧式探头，其工作原理与I型卧式探头相同，只是实现XY扫描与Z向反馈控制的压电陶瓷采用管状压电陶瓷。II型卧式探头也具备I型卧式探头的主要特点，而且，由于采用了管状压电陶瓷，使扫描与反馈控制器结构更简洁，易于探头小型化。

Claims (5)

1.一种卧式原子力显微镜探头，其特征在于它具有XYZ压电陶瓷及样品台组成的扫描与反馈控制器(1)和由微悬臂探针、激光器及位置敏感元件组成的光电检测系统(2)。
2.根据权利要求1所述的一种卧式原子力显微镜探头，其特征在于所说的扫描与反馈控制器(1)具有X轴压电陶瓷(3)，Y轴压电陶瓷(4)，Z轴压电陶瓷(5)，样品台(6)及样品(7)，X、Y、Z轴压电陶瓷三者互相垂直，它们的一端均与样品台粘合，另一端分别固定，样品粘合固定在样品台上。
3.根据权利要求1所述的一种卧式原子力显微镜探头，其特征在于所说的扫描与反馈控制器(1)具有管状压电陶瓷(12)，固定块(13)，基座(14)，样品台(6)和样品(7)。
4.根据权利要求1所述的一种卧式原子力显微镜探头，其特征在于所说的光电检测系统(2)具有含针尖的微悬臂(8)，激光器(9)，位置敏感元件(10)，微调机构(11)，激光器发射的激光束从微悬臂的外端反射后，投射到位置敏感元件的光敏面上，位置敏感元件输出一个与反射光斑在光敏面上的位置相对应的光电流信号。
5.根据权利要求1所述的一种卧式原子力显微镜探头，其特征在于所说的光电检测系统(2)具有含针尖的微悬臂(8)，激光器(9)，位置敏感元件(10)和微调机构(11)。
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