CN203643473U

CN203643473U - 具有二维扫描功能的原子力显微镜测头

Info

Publication number: CN203643473U
Application number: CN201320668215.1U
Authority: CN
Inventors: 吴森; 胡晓东; 胡小唐; 徐临燕
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2023-10-28

Abstract

一种具有二维扫描功能的原子力显微镜测头，是由光学检测模块和扫描模块构成，扫描模块有：进行水平一维扫描运动的Y向一维扫描机构和固定连接在Y向一维扫描机构上能够进行垂直一维扫描运动的Z向一维扫描机构，Z向一维扫描机构上固定有悬臂梁探针和位于悬臂梁探针上方的非球面透镜，Y向一维扫描机构上固定设置有直角棱镜；光学检测模块有：沿直角棱镜的水平入射光路依次设置的激光器、准直镜、极化分光镜、四分之一波片和第一分束器，其中，第一分束器的垂直分光光路上依次设置有第二分束器、管镜和CCD相机，第二分束器的水平方向接口连接有照明光源，极化分光镜的垂直光路上依次设置有会聚透镜和光电探测器。本实用新型能够消除误差，进行高速扫描成像。

Description

具有二维扫描功能的原子力显微镜测头

技术领域

本实用新型涉及一种原子力显微镜扫描测头。特别是涉及一种具有二维扫描功能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在纳米尺度直观地认识各类导电、非导电材料乃至生物样品的表面结构。经过二十余年的发展，如今该技术已成为半导体工业、纳米材料、生命科学等领域的基本分析技术之一，应用十分广泛。

目前大多数的原子力显微镜都采用悬臂梁式探针探测样品表面起伏，同时利用光杠杆方法放大悬臂梁的形变。光杠杆检测光路位于测头内，其中激光器发出激光束打在悬臂梁上，悬臂梁将光束反射至光电探测器，探测器上光斑的位移即反映梁的变形。根据扫描运动对象的不同，原子力显微镜的结构可分为上扫描和下扫描两类，分别如图1a、1b所示。上扫描为样品静止，测头相对于样品做扫描运动；下扫描为测头静止，样品相对于测头做扫描运动。扫描动作通常借助管式或三脚架式压电陶瓷扫描器实现。这类扫描器扫描速度快，能同时实现三维运动，但带载能力较弱，且原理上存在三轴运动耦合，在大范围XY平面扫描时会出现明显的Z向弯曲畸变。因此，对于较大的样品只能使用上扫描方式，即让扫描器集成于测头中带着探针动。上扫描方式要求激光能够实时跟踪悬臂梁的运动。现有测头虽可借助跟踪透镜保证测量光束打在梁上，但尚不能完全消除扫描运动所致的光束反射角变化以及由此引起的光杠杆检测误差。此外，传统光杠杆光路中激光束腰直径一般在几十微米，而近年兴起的响应速度更快的小尺寸悬臂梁本身只有二三十微米长，这就意味着现有测头光路可能无法满足今后的高速扫描需求。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种能够实现测量光束对悬臂梁探针的零误差跟踪的具有二维扫描功能的原子力显微镜测头。

本实用新型所采用的技术方案是：一种具有二维扫描功能的原子力显微镜测头，是由光学检测模块和与所述的光学检测模块进行光连接的扫描模块构成，所述的扫描模块包括有：能够进行水平一维扫描运动的Y向一维扫描机构和固定连接在所述Y向一维扫描机构上能够进行垂直一维扫描运动的Z向一维扫描机构，所述的Z向一维扫描机构上固定有悬臂梁探针和位于悬臂梁探针上方的非球面透镜，所述的Y向一维扫描机构上固定设置有与所述的非球面透镜透射光路相对应的直角棱镜；所述的光学检测模块包括有：沿直角棱镜的水平入射光路依次设置的激光器、准直镜、极化分光镜、四分之一波片和第一分束器，其中，所述的第一分束器的垂直分光光路上依次设置有第二分束器、管镜和CCD相机，所述的第二分束器的水平方向接口连接有照明光源，所述的极化分光镜的垂直光路上依次设置有会聚透镜和光电探测器。

所述的光学检测模块和Y向一维扫描机构固定在测头基座上。

所述的Z向一维扫描机构的工作方向与所述的Y向一维扫描机构的工作方向正交。

所述的所述的光学检测模块发出的激光以线偏振光形式进入所述的扫描模块，从所述的扫描模块返回光学检测模块的激光束也为线偏光。

所述的第二分束器和管镜之间设置有衰减片。

所述的光电探测器安装在会聚透镜的后焦平面以外。

所述的会聚透镜和光电探测器之间设置有滤光片，所述滤光片紧邻光电探测器安装，且滤光片的通带频率与所用激光频率一致。

所述的悬臂梁探针位于非球面透镜的焦点处，扫描过程中悬臂梁探针与非球面透镜跟随Z向一维扫描机构运动且保持相对位置不变；而Z向一维扫描机构又跟随Y向一维扫描机构进行水平扫描运动，从而使悬臂梁探针和非球面透镜保持与直角棱镜的水平相对位置不变。

所述的CCD相机、管镜、第一分束器、直角棱镜和非球面透镜构成用于观察悬臂梁和样品的无限共轭显微光路；所述的光电探测器、会聚透镜、极化分光镜、四分之一波片、第一分束器、直角棱镜、非球面透镜和悬臂梁探针构成光杠杆光路。

设定非球面透镜、会聚透镜、管镜的焦距分别对应为f₁、f₂、f₃，会聚透镜后焦面到光电探测器光敏面的距离为L，设置悬臂梁探针的悬臂梁长为l，并设定激光在悬臂梁上的反射点，即悬臂梁探针在悬臂梁的自由端处，则根据几何光学及材料力学原理得到：光杠杆光路对探针自由端Z向位移的放大倍率为A=3(L/l)·(f₁/f₂)；无限共轭显微光路的光学放大倍率为M=f₃/f₁；在保持扫描模块不变的情况下，通过调整光学检测模块中会聚透镜、管镜的焦距和光电探测器的位置即调节了相关放大倍率和检测灵敏度。

本实用新型的具有二维扫描功能的原子力显微镜测头，可达到以下有益效果：

1、对于任意扫描范围，皆能保证扫描过程中激光对悬臂梁的跟踪，理论上完全消除了扫描器运动引起的光杠杆误差；

2、激光聚焦光斑小，可配合小尺寸悬臂梁进行高速扫描成像；

3、所采用的分立一维扫描器组合方案避免了传统扫描器的三轴运动耦合，可实现纯平面扫描；

4、显微观察光路与光杠杆光路共路，易于对悬臂梁上的激光聚焦情况和样品表面进行原位观察；

5、光学检测系统与扫描运动机构相互独立，方便调试、维护和升级。

附图说明

图1a是常见原子力显微镜结构示意图；

图1b另一种常见原子力显微镜结构示意图；

图2为本实用新型具有二维扫描功能的原子力显微镜测头的整体构成示意图；

图3为本实用新型的一个实际应用的例子。

图中

1：被测样品 2：样品台

3：悬臂梁探针 4：非球面透镜

5：Z向一维扫描机构 6：直角棱镜

7：Y向一维扫描机构 8：激光器

9：准直镜 10：极化分光镜

11：四分之一波片 12：第一分束器

13：会聚透镜 14：滤光片

15：光电探测器 16：照明光源

17：第二分束器 18：衰减片

19：管镜 20：CCD相机

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型的具有二维扫描功能的原子力显微镜测头做出详细说明。

如图2所示，本实用新型的具有二维扫描功能的原子力显微镜测头，是由光学检测模块Ⅱ和与所述的光学检测模块Ⅱ进行光连接的扫描模块Ⅰ构成，实现三维扫描，扫描平面为纯平面。测量光束由光学检测模块产生并进入扫描模块，经悬臂梁探针反射后再从扫描模块返回光学检测模块；测量光在光学检测模块和扫描模块之间传递时为线偏振平行光束，且传播方向与Y轴平行，即，所述的光学检测模块II发出的激光以线偏振光形式进入所述的扫描模块I，从所述的扫描模块I返回光学检测模块II的激光束也为线偏光。

所述的扫描模块Ⅰ包括有：能够进行水平一维扫描运动的Y向一维扫描机构7和固定连接在所述Y向一维扫描机构7上能够进行垂直一维扫描运动的Z向一维扫描机构5，所述的Z向一维扫描机构5的工作方向与所述的Y向一维扫描机构7的工作方向正交。所述的Z向一维扫描机构5上固定有悬臂梁探针3和位于悬臂梁探针3上方的非球面透镜4，所述的Y向一维扫描机构7上固定设置有与所述的非球面透镜4透射光路相对应的直角棱镜6。所述的悬臂梁探针3位于非球面透镜4的焦点处，扫描过程中悬臂梁探针3与非球面透镜4跟随Z向一维扫描机构5运动且保持相对位置不变；而Z向一维扫描机构5又跟随Y向一维扫描机构7进行水平扫描运动，从而使悬臂梁探针3和非球面透镜4保持与直角棱镜6的水平相对位置不变。平行于Z轴进入非球面透镜的激光束始终会聚在悬臂梁上同一点，悬臂梁的反射光返回非球面透镜并平行于Z轴出射；非球面透镜设计波长与检测所用激光波长一致，悬臂梁上的激光焦斑远小于梁宽。

所述的光学检测模块Ⅱ包括有：沿直角棱镜6的水平入射光路依次设置的激光器8、准直镜9、极化分光镜10、四分之一波片11和第一分束器12，其中，所述的第一分束器12的垂直分光光路上依次设置有第二分束器17、管镜19和CCD相机20，所述的第二分束器17的水平方向接口连接有照明光源16，所述的极化分光镜10的垂直光路上依次设置有会聚透镜13和光电探测器15，所述的光电探测器15安装在会聚透镜13的焦平面以外，光电探测器15与会聚透镜13的实际距离可根据光电探测器15感光面尺寸、所需检测灵敏度及量程调整。所述的会聚透镜13和光电探测器15之间设置有滤光片14，所述滤光片14紧邻光电探测器（15）安装，其通带频率与所用激光频率一致。所述的第二分束器17和管镜19之间设置有衰减片18，所述的衰减片18紧邻管镜19设置，衰减片18用于减弱激光强度避免CCD饱和。

所述的光学检测模块Ⅱ和Y向一维扫描机构7固定在测头基座上。

所述的CCD相机20、管镜19、第一分束器12、直角棱镜6和非球面透镜4构成用于观察悬臂梁和样品的无限共轭显微光路；所述的光电探测器15、会聚透镜13、极化分光镜10、四分之一波片11、第一分束器12、直角棱镜6、非球面透镜4和悬臂梁探针3构成光杠杆光路。

设定非球面透镜4、会聚透镜13、管镜19的焦距分别对应为f₁、f₂、f₃，会聚透镜13后焦面到光电探测器15光敏面的距离为L，设置悬臂梁探针3的悬臂梁长为l，并设定激光在悬臂梁上的反射点，即悬臂梁探针3在悬臂梁的自由端处，则根据几何光学及材料力学原理得到：光杠杆光路对探针自由端Z向位移的放大倍率为A=3(L/l)·(f₁/f₂)；无限共轭显微光路的光学放大倍率为M=f₃/f₁；在保持扫描模块Ⅰ不变的情况下，通过调整光学检测模块Ⅱ中会聚透镜13、管镜19的焦距和光电探测器15的位置即调节了相关放大倍率和检测灵敏度。

本实用新型的具有二维扫描功能的原子力显微镜测头，Y向扫描器运动时，直角棱镜和Z向一维扫描机构5的相对位置保持不变；由光学检测模块发出并平行于Y轴射入扫描模块的光束经直角棱镜反射后平行于Z轴射向非球面透镜；由非球面透镜平行于Z轴射向直角棱镜的光束经反射后平行于Y轴返回光学检测模块；测头的Y、Z向扫描运动不改变激光聚焦位置和传播方向。

光学检测模块中，激光器发出的光束依次经过准直镜、极化分光镜、四分之一波片以及第一分束器，以线偏光形式平行于Y轴射向扫描模块中的直角棱镜；扫描模块返回的光束沿与此前相反的方向经过第一分束器和四分之一波片到达极化分光镜；两次通过四分之一波片的激光束偏振方向旋转90°，返回极化分光镜后被完全反射至会聚透镜并投射在光电探测器上，光电探测器上光斑的位移是悬臂梁偏扭形变的放大；扫描模块返回的光束经过第一分束器时，一部分反射90°经过管镜会聚于其焦平面处的CCD相机上，CCD相机、管镜、第一分束器、直角棱镜以及非球面透镜构成无限共轭显微光路用于观察悬臂梁和样品。

本实用新型的具有二维扫描功能的原子力显微镜测头的工作原理如下：被测样品1搭载于具有一维扫描能力的样品台2上。测头位于样品上方，测头Z向与样品表面垂直，Y向与样品运动方向垂直。测头包括扫描模块Ⅰ和光学检测模块Ⅱ。扫描模块Ⅰ中：悬臂梁探针3安装于非球面透镜4下方焦平面处，悬臂梁与水平面成10°左右倾角，其自由端位于球面透镜4的焦点上；悬臂梁探针3和球面透镜4搭载在独立的Z向一维扫描器5上，保持相对位置不变共同随Z向一维扫描机构5做Z向运动；Z向一维扫描机构5整体以及直角棱镜6搭载在独立的Y向一维扫描器7上，Z向一维扫描机构5、直角棱镜6保持相对位置不变一同随Y向一维扫描器7做Y向运动；直角棱镜6用于实现Y、Z向平行光束的相互转换：平行于Y轴射入直角棱镜6的光束经其反射后平行于Z轴射向非球面透镜4，平行于Z轴由非球面透镜4射向直角棱镜6的光束经其反射后平行于Y轴出射。光学检测模块Ⅱ固定于测头基座上静止不动，其中：激光器8发出的激光束首先经准直镜9准直后，平行于Y轴进入极化分光镜10并分解成偏振态相互垂直的两束线偏光（图中只画出实际使用的一束），沿原传播方向出射的偏振光依次穿过四分之一波片11和分束器12平行于Y轴射向Ⅰ中的直角棱镜6，直角棱镜6将入射的平行光束反射至非球面透镜4并由后者会聚至悬臂梁探针3上，悬臂梁探针3的反射光沿一定角度返回非球面透镜4并成为平行光沿Z向回射至直角棱镜6，再经直角棱镜6反射后平行于Y轴返回光学检测模块Ⅱ。回到光学检测模块Ⅱ的激光束以与此前相反的方向相继穿过第一分束器12和四分之一波片11进入极化分光镜10。由于往返两次通过四分之一波片，返回极化分光镜10的线偏光偏振方向旋转了90°，因而经极化分光镜10反射后平行于Z轴出射，再经过会聚透镜13和滤光片14最终投射在位于会聚透镜13焦平面以外的光电探测器15上。上述光路即为光杠杆检测光路，悬臂梁的微小偏转和扭转经其放大为光电探测器15感光面上光斑的位移。此处滤光片14的通带频率与激光频率相同，用于滤除环境光。为便于观察样品及悬臂梁上的激光焦斑情况，以CCD相机20、管镜19、衰减片18、照明光源16、第二分束器17配合非球面透镜4、直角棱镜6和第一分束器12组成同轴照明无限共轭显微系统。其中照明光源16产生的照明光经第二分束器17耦合入前述光杠杆光路，再依次经由第一分束器12、直角棱镜6、非球面透镜4投射在悬臂梁3和被测样品1上。被测样品1、悬臂梁探针3反射的照明光及悬臂梁探针3反射的激光束回经第一分束器12时，一部分垂直于入射方向出射，之后依次经过第二分束器17、衰减片18、管镜19成像于管镜19后焦面处的CCD相机20上。衰减片18用于减弱激光强度以避免CCD饱和。

上述测头结构中的两个一维扫描机构与搭载样品的一维扫描机构两两正交，三轴运动无耦合，扫描平面不存在弯曲畸变。由于测头中的各扫描机构工作方向均与光束传播方向平行，且所搭载的元件相对位置固定，因此无论扫描机构行程多大都不影响光路，激光可始终聚焦在悬臂梁的同一点并维持入射角不变，进而保证光电探测器接收的光斑不因扫描动作而移位；仅当悬臂梁自身因样品的形貌起伏而发生偏扭形变时，才会引起光电探测器上光斑位置的改变。测头中的非球面透镜设计波长与所用激光波长一致，理论上能够将激光会聚至直径数微米，可满足各类小尺寸悬臂梁探针的检测需求。此外，上述测头扫描模块Ⅰ含元件少、质量轻、结构紧凑，有利于在高速扫描时保持稳定。由于各扫描器均为独立一维运动结构，较之集成的二维或三维扫描器，其机械结构更为简单，制造成本更低，通常也具有更好的运动特性。根据各扫描器负载情况，本实用新型所述原子力显微镜测头在进行高速扫描时，应以X向为快轴，Y向为慢轴。

下面给出一个应用实例：

如图3所示，探针3’及非球面透镜4’固定在Z向扫描器6’的运动部上。其中非球面透镜4’的直径为18mm，设计波长532nm，焦距15mm；探针悬臂梁与水平面成10°倾角，自由端位于非球面透镜4’的焦点处。Z向扫描器6’采用PI公司的一维纳米定位台P-753.11C，其闭环行程为12μm，位移分辨力0.05nm。Z向扫描器6’通过转接板5’正交固定在Y向扫描器7’的运动部上，转接板5’上同时还安装有边长20mm的直角棱镜用于实现Y向与Z向平行光束的转换。Y向扫描器7’采用PI公司的一维纳米定位台P-752.11C，其闭环行程为15μm，位移分辨力0.1nm，侧立固定于测头基座8’上，工作方向与水平面平行且保证Z向扫描器6’的工作方向与水平面垂直。测头的主要光学检测部分通过连接器9’固定在基座上。其中，10’为 NAVITAR公司的ZOOM6000组合镜头模块，其内部由下至上依次包括同轴光纤照明接口、衰减片、200mm焦距管镜、C形接口。C形接口处固定CCD相机11’。组合镜头模块10’下方连接分束器19’。分束器19’采用直径25.4mm，波段400nm～700nm的薄膜型分束器，与水平面成45度倾斜安装，在水平方向和垂直方向分别与固定在转接板5’上的直角棱镜以及组合镜头模块10’同心。分束器19’的另一侧从右至左依次固定λ/4波片18’、极化分光镜17’、二极管激光器16’。其中λ/4波片18’直径25.4mm，中心波长532nm，自带旋转器用以调整偏振方向；极化分光镜17’采用边长20mm偏振分光立方体，波长范围420nm～680nm；二极管激光器16’自带准直镜，波长532nm，功率4.5mW，出射直径2mm。二极管激光器16’安装时平行于Z轴向上偏心2.64mm以保证激光束经非球面透镜4’会聚后垂直于探针悬臂梁投射，此时得到的焦斑最小。极化分光镜上方固定会聚透镜15’。会聚透镜15’的焦距为15mm，安装时相对于极化分光镜17’向左偏心2.64mm，以保证悬臂梁自由状态下的反射光沿会聚透镜15’主光轴出射。会聚透镜15’上方同轴安装适配器14’，适配器14’出口处安装四象限探测器13’及二维手动位移台12’。其中四象限探测器13’感光面直径7.8mm，距离15’的主平面45mm；感光面前固定532nm带通滤光片以滤除照明光的影响；二维手动位移台12’与四象限探测器13’相联，利用二维手动位移台12’可微调四象限探测器13’相对于适配器14’中心的位置以使光斑落于四象限探测器13’感光面上的合适区域。为减小光学部分的机械晃动，极化分光镜17’、分束器19’的外壳均通过螺钉固定在测头基座8’上；为降低光学噪声，极化分光镜17’、分束器19’下侧的出光口用黑胶带遮挡。

为配合该测头实现三维扫描成像，选用与Y向扫描器7’相同的一维纳米定位台P-752.11C作为样品台1’进行X向扫描，其工作方向与Y向扫描器7’正交，载物面与Z向扫描器6’的工作方向垂直，样品2’固定于样品台1’运动部上。

上述测头及X向扫描器共同组成的原子力显微镜系统的闭环扫描范围为15μm×15μm×12μm，扫描平面无弯曲畸变；激光焦斑理论直径约5μm；对于长度30μm的矩形悬臂梁探针，针尖法向位移放大率理论上可达3000倍；系统中CCD显微观察部分的放大倍率约为13.3倍，可用以观察样品及辅助调整激光在悬臂梁上的反射位置。

在另一实施方式中，上述测头的检测光路部分保持不变，只需将扫描器更换为PI公司的P780或其他行程更大的一维纳米定位台，即可实现更大范围的扫描。

Claims

1.一种具有二维扫描功能的原子力显微镜测头，是由光学检测模块（Ⅱ）和与所述的光学检测模块（Ⅱ）进行光连接的扫描模块（Ⅰ）构成，其特征在于，所述的扫描模块（Ⅰ）包括有：能够进行水平一维扫描运动的Y向一维扫描机构（7）和固定连接在所述Y向一维扫描机构（7）上能够进行垂直一维扫描运动的Z向一维扫描机构（5），所述的Z向一维扫描机构（5）上固定有悬臂梁探针（3）和位于悬臂梁探针（3）上方的非球面透镜（4），所述的Y向一维扫描机构（7）上固定设置有与所述的非球面透镜（4）透射光路相对应的直角棱镜（6）；所述的光学检测模块（Ⅱ）包括有：沿直角棱镜（6）的水平入射光路依次设置的激光器（8）、准直镜（9）、极化分光镜（10）、四分之一波片（11）和第一分束器（12），其中，所述的第一分束器（12）的垂直分光光路上依次设置有第二分束器（17）、管镜（19）和CCD相机（20），所述的第二分束器（17）的水平方向接口连接有照明光源（16），所述的极化分光镜（10）的垂直光路上依次设置有会聚透镜（13）和光电探测器（15）。

2.根据权利要求1所述的具有二维扫描功能的原子力显微镜测头，其特征在于，所述的光学检测模块（Ⅱ）和Y向一维扫描机构（7）固定在测头基座上。

3.根据权利要求1所述的具有二维扫描功能的原子力显微镜测头，其特征在于，所述的Z向一维扫描机构（5）的工作方向与所述的Y向一维扫描机构（7）的工作方向正交。

4.根据权利要求1所述的具有二维扫描功能的原子力显微镜测头，其特征在于，所述的所述的光学检测模块（II）发出的激光以线偏振光形式进入所述的扫描模块（I），从所述的扫描模块（I）返回光学检测模块（II）的激光束也为线偏光。

5.根据权利要求1所述的具有二维扫描功能的原子力显微镜测头，其特征在于，所述的第二分束器（17）和管镜（19）之间设置有衰减片（18）。

6.根据权利要求1所述的具有二维扫描功能的原子力显微镜测头，其特征在于，所述的光电探测器（15）安装在会聚透镜（13）的后焦平面以外。

7.根据权利要求1所述的具有二维扫描功能的原子力显微镜测头，其特征在于，所述的会聚透镜（13）和光电探测器（15）之间设置有滤光片（14），所述滤光片（14）紧邻光电探测器（15）安装，且滤光片（14）的通带频率与所用激光频率一致。

8.根据权利要求1所述的具有二维扫描功能的原子力显微镜测头，其特征在于，所述的悬臂梁探针（3）位于非球面透镜（4）的焦点处，扫描过程中悬臂梁探针（3）与非球面透镜（4）跟随Z向一维扫描机构（5）运动且保持相对位置不变；而Z向一维扫描机构（5）又跟随Y向一维扫描机构（7）进行水平扫描运动，从而使悬臂梁探针（3）和非球面透镜（4）保持与直角棱镜（6）的水平相对位置不变。

9.根据权利要求1所述的具有二维扫描功能的原子力显微镜测头，其特征在于，所述的CCD相机（20）、管镜（19）、第一分束器（12）、直角棱镜（6）和非球面透镜（4）构成用于观察悬臂梁和样品的无限共轭显微光路；所述的光电探测器（15）、会聚透镜（13）、极化分光镜（10）、四分之一波片（11）、第一分束器（12）、直角棱镜（6）、非球面透镜（4）和悬臂梁探针（3）构成光杠杆光路。