CN1710403A - 原子力显微镜及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量样品表面原子级轮廓形貌的原子力显微镜及其操作方法。该原子力显微镜包括探针、电子控制系统、计算器处理系统、光电检测系统及曲面校正系统，各系统通过电路彼此相连，其中该曲面校正系统包括一激光光源、一聚焦系统及一光分析仪，激光光源经聚焦系统聚焦，其焦点跟踪原子力显微镜的探针针尖扫描待测样品表面，并被样品表面反射，光分析仪吸收该反射光，测得样品表面扫描点处的曲面角度，用以校正针尖与样品表面原子间作用力引起探针微悬臂的形变量或位移量。该原子力显微镜适合检测高角度曲面的样品。
Description
【技术领域】
本发明关于一种原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)，特别涉及一种能测量高角度曲面的原子力显微镜。
【背景技术】
原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)是一种扫描探针显微镜，通常包括探针(包括微悬臂及针尖)、电子控制系统、计算器处理系统及光电检测系统四个子系统。其可用于测量样品的原子级表面状态，是纳米技术领域不可缺少的检测工具。
原子力显微镜的工作模式可分为接触模式(contact mode)与轻敲模式(tapping mode)。
接触模式下，针尖与样品间距小于0.03纳米，针尖与样品间范德华力(Vanderwals Force)处于排斥力区，此时针尖原子与样品表面原子的电子云发生重叠，排斥力将平衡几乎所有可能使两个原子接近的力，微悬臂将弯曲而不可能使针尖原子与样品表面原子靠得更近。
接触模式包括恒力模式(constant force mode)与恒高模式(constant heightmode)。
恒力模式下利用电子控制系统控制探针与样品表面的距离，以保持微悬臂的偏转程度不变，从而确保样品与针尖间作用力恒定。当沿X、Y方向扫描时，纪录Z方向上扫描仪的移动情况，得到样品表面轮廓形貌图像。
恒高模式中保持样品与针尖的相对高度不变，直接测量出微悬臂的偏转情况来获得样品表面原子级轮廓形貌图像。
轻敲模式中，微悬臂以较大振幅振荡，针尖振荡于底部时与样品轻轻接触，通过调节使带针尖的微悬臂以某一高频的共振频率及0.01～1纳米的振幅在Z方向上共振，同时电子控制系统通过调整样品与针尖间距来控制微悬臂振幅与相位，纪录样品上下移动情况即可获得图像。轻敲模式实际上为恒力模式，唯有针尖与样品表面间作用力恒定，才能确保微悬臂以恒定频率振荡，保持振幅与相位不变。
但是，现有技术中原子力显微镜测量样品时，只有样品表面平整时才能得到比较精确的原子级表面形貌图像，而对于高角度曲面的样品表面，得到精确的原子级表面形貌图像比较困难。这是因为原子力显微镜测量样品时探针针尖与样品表面始终保持垂直，当样品表面平整时，探针扫描处的原子表面仍然与针尖垂直，此时针尖与样品表面原子间作用力沿垂直方向上(其它方向上无分量)直接作用于探针，使微悬臂扭曲或移动，因而其检测系统所检测的微悬臂在垂直方向上的形变或位移为样品表面沿垂直方向上实际凸出的高度，该形变或位移量的相关讯号经过计算器处理系统采集、处理的后所得的样品表面轮廓形貌图像真实准确；而样品表面为高角度曲面时，针尖与样品表面原子间作用力沿样品表面平行方向及垂直方向上均有分量，而实际上仅有垂直方向上的分量推动微悬臂扭曲或移动，而现有技术中原子力显微镜的检测分析系统未对此进行校正；曲面角度越大，针尖与样品表面原子间作用力与其垂直方向上的分量差别越大，原子力显微镜微悬臂形变量越不能真实反映样品表面的形貌，故最后所得出的样品表面轮廓形貌图像越不准确。
因此，提供一种能测量高角度曲面的原子力显微镜实为必要。
【发明内容】
为解决现有技术中原子力显微镜测量高角度曲面时成像不准确的技术问题，本发明目的在于提供一种能测量高角度曲面的原子力显微镜。
本发明还提供该原子力显微镜的操作方法。
本发明所提供的用来测量样品表面原子级形貌的原子力显微镜包括探针、电子控制系统、计算器处理系统、光电检测系统及曲面校正系统，各系统通过电路彼此连接，其中该曲面校正系统包括一激光光源、一聚焦系统及一光分析仪，激光光源经聚焦系统聚焦，其焦点跟踪原子力显微镜的探针针尖扫描待测样品表面，并被样品表面反射，光分析仪吸收该反射光，测得样品表面任一扫描点处的曲面角度，用以校正针尖与样品表面原子间作用力引起探针微悬臂的形变量或位移量，得出样品表面准确的原子级轮廓形貌。
本发明所提供的原子力显微镜的操作方法包括下列步骤：
提供一待测样品，启动原子力显微镜；
通过一电子控制系统控制探针扫描待测样品表面，探针在其与待测样品表面原子间作用力下发生位移或形变；
通过一曲面校正系统跟踪探针扫描待测样品表面，测得样品表面扫描点处的曲面角度θ，并将该讯号传输给一计算器处理系统；
通过一光电检测系统检测探针于Z轴上产生的位移或形变，并将该讯号传输给该计算器处理系统；
该计算器处理系统接收光电检测系统及曲面校正系统传输的讯号进行分析处理，得出样品表面原子级轮廓形貌图。
与现有技术相比，本发明所提供的原子力显微镜具有以下优点：原子力显微镜增设一曲面校正系统，该系统能测得样品表面任一扫描点处的曲面角度，可校正针尖与样品表面原子间作用力在垂直方向上(Z轴方向上)引起探针微悬臂的形变量或位移量，从而得到精准的样品表面轮廓形貌图像。
【附图说明】
图1是本发明所提供的原子力显微镜工作原理示意图。
图2是图1中针尖扫描样品表面的放大示意图。
【具体实施方式】
请参阅图1及图2，本发明所提供的原子力显微镜工作原理示意图，该原子力显微镜包括探针10(包括微悬臂11及针尖12)、电子控制系统(图未示)、计算器处理系统(图未示)、光电检测系统及曲面校正系统，各个系统通过电路彼此连接；光电检测系统包括激光光源21及光检测器22；曲面校正系统包括一激光光源31、一聚焦系统32及一光分析仪33，其中聚焦系统32包括非球面聚焦透镜321、322，该非球面聚焦透镜321或322均包括两相对表面，其中至少一表面上形成有光栅。该二元次绕射光学组件具有像差小的特点，聚焦精准。根据实际需要，该聚焦系统32还可以包括反射光学元件，调整光线路径，配合原子力显微镜中各组件的合理安装。
探针10在电子控制系统控制下以接触模式或轻敲模式扫描样品40的表面，激光光源21发射的激光照射微悬臂11的背面，该微悬臂11背面为一镜面，该激光照射到该微悬臂11背面后被反射，反射光由光检测器22接收。当微悬臂11受到样品40表面原子力作用的后发生扭曲或位移，从激光光源21发射的激光在微悬臂11背面的入射角会发生变化，相应其反射角亦发生变化，该变化量被光检测器22接收并转变成电讯号，输入计算器处理系统，即可分析出微悬臂11于垂直于样品表面方向上(即Z轴方向)的位移量或形变量Δz。
激光光源31发出的光经聚焦系统32聚焦，其焦点跟踪原子力显微镜的探针针尖12扫描待测样品40表面，并被样品40表面反射，光分析仪33接收该反射光，处理分析得扫描点处的曲面角度θ，针尖12与样品40表面间相互作用力为F，F方向为远离曲面圆心方向，F沿X轴方向上的分力为F×sinθ，F沿Z轴方向上的分力为F×cosθ，其中F×cosθ使得微悬臂11于垂直样品表面方向上(Z轴方向)产生位移量或形变量Δz，而实际上针尖12与样品40表面间相互作用力为F，F将使得微悬臂11于Z轴方向上产生的位移量为H，因此，H与Δz的关系为H＝Δz/cosθ，H则为样品40表面沿Z轴方向的实际曲面高度。本发明所提供的原子力显微镜能准确检测表面曲面角度高达75度的样品。
本发明所提供的原子力显微镜的操作方法包括下列步骤：
提供一待测样品，启动原子力显微镜；
通过电子控制系统控制探针扫描待测样品表面，探针在其与待测样品表面原子间作用力下发生位移或形变，其中探针在待测样品上的扫描方式可以为接触式也可以为轻敲式；
通过曲面校正系统跟踪探针扫描待测样品表面，测得样品表面扫描点处的曲面角度θ，并将该讯号传输给计算器处理系统；
通过光电检测系统发射的激光检测探针在Z轴上产生的位移或形变，并将该光讯号转换为电讯号传输给计算器处理系统；
计算器处理系统接收光电检测系统传输的电讯号后进行分析处理，得到探针在Z轴方向上产生的位移量或形变形变量Δz并校正，得到样品表面实际沿Z轴方向的曲面高度H，H＝Δz/cosθ，得出样品表面原子级轮廓形貌图像。
本发明所提供之原子力显微镜增设了一曲面校正系统，该系统能测得样品表面任一扫描点处的曲面角度，可校正针尖与样品表面原子间作用力在垂直方向上(Z轴方向上)引起探针微悬臂的形变量或位移量，得到准确的样品表面在垂直方向上的实际曲面高度，从而得到精准的样品表面轮廓形貌图像。
Claims (6)
1.一种原子力显微镜，用以检测样品表面原子级轮廓形貌，其包括探针、电子控制系统、计算器处理系统及光电检测系统，各系统通过电路彼此连接，其特征在于该原子力显微镜进一步包括曲面校正系统，该曲面校正系统包括一激光光源、一聚焦系统及一光分析仪，激光光源发射的激光经聚焦系统汇聚，其焦点跟踪探针针尖扫描待测样品表面，并被样品表面反射，光分析仪吸收该反射光，测得样品表面扫描点处的曲面角度。
2.如权利要求1所述的原子力显微镜，其特征在于聚焦系统包括至少一非球面聚焦透镜，该非球面聚焦透镜包括两相对表面，其中至少一表面上形成有光栅。
3.一种原子力显微镜的操作方法，其特征在于包括下列步骤：
提供一待测样品，启动原子力显微镜；
通过一电子控制系统控制探针扫描待测样品表面，探针在其与待测样品表面原子间作用力下发生位移或形变；
通过一曲面校正系统跟踪探针扫描待测样品表面，测得样品表面扫描点处的曲面角度θ，并将该讯号传输给一计算机处理系统；
通过一光电检测系统检测探针在Z轴方向上产生的位移或形变，并将该讯号传输给该计算器处理系统；
该计算器处理系统接收光电检测系统及曲面校正系统传输的讯号进行分析处理，得出样品表面原子级轮廓形貌图。
4.如权利要求3所述的原子力显微镜操作方法，其特征在于计算器处理系统接收光电检测系统传入的讯号经过分析处理得到探针于Z轴上产生的位移量或形变形变量Δz，接收曲面校正系统的讯号对Δz进行校正，得到样品表面沿Z轴方向的实际曲面高度H。
5.如权利要求4所述的原子力显微镜操作方法，其特征在于校正样品表面沿Z轴方向的实际曲面高度H的关系式为H＝Δz/cosθ。
6.如权利要求4所述的原子力显微镜操作方法，其特征在于探针在待测样品上的扫描方式包括接触模式及轻敲模式。
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