DE10297054T5 - Messkopf für ein Rasterkraftmikroskop und weitere Anwendungen - Google Patents

Messkopf für ein Rasterkraftmikroskop und weitere Anwendungen Download PDF

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DE10297054T5
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cantilever
lens
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optical
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DE10297054T
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English (en)
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Paul K. Isla Vista Hansma
Barney Drake
James Thompson
Johannes H. Santa Barbara Kindt
David Santa Barbara Hale
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University of California
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/38Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
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Abstract

Messkopf, der ein Gehäuse, einen Cantilever, der über einer Probe positioniert werden kann, und ein optisches System hat, um einen Lichtstrahl einer Lichtquelle als einfallenden Strahl auf der Oberfläche des Cantilevers und als reflektierten Strahl vom Cantilever zu einem optischen Dektor zu lenken, gekennzeichnet durch wenigstens eines der folgenden:
(a) einer Linse zur Fokussierung des einfallenden Strahls auf den Cantilever, wobei die zentrale Achse des einfallenden Strahls im wesentlichen nicht mit der zentralen Achse der Linse zur Fokussierung abgestimmt ist;
(b) die Komponenten des optischen Systems sind so orientiert, daß der Lichtstrahl, auf dem Weg von der Lichtquelle zum Detektor, niemals auf eine flache Oberfläche bei normalem Einfallwinkel trifft, außer der Lichtstrahl divergiert oder konvergiert;
(c) ein integraler optischer Block ist im Gehäuse vorgesehen, der das optische System enthält, sowie eine Flexur zur Festlegung des optischen Blocks an dem Gehäuse;
(d) das Gehäuse und der optische...

Description

  • Querverweis zu verwandten Anmeldungen
  • Diese Anmeldung basiert auf der US-amerikanischen Anmeldung mit der Seriennummer 60/306 578 , mit dem Anmeldetag 18.07.2001.
  • Angaben bezüglich der Bundesförderung für Wissenschaft und Entwicklung Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung unter der Erteilungsnummer NSF – DMR9988640 und NSF – DMR0080034 erteilt durch die National Science Foundation zuerkannt. Die Regierung hat gewisse Rechte an dieser Erfindung.
  • Diese Erfindung betrifft Rastersondengeräte. Insbesondere betrifft die Erfindung Verbesserungen eines Rasterkraftmikroskopes, welches zur Messung der Auslenkungen eines Cantilevers verwendet wird.
  • Rastersondengeräte, wie z. B. Rasterkraftmikroskope (Atomic force microscope, AFM) haben gezeigt, daß sie exzellente Werkzeuge zur Abbildung einer breiten Palette von Materialien wie z. B. Metallen, Halbleitern, Mineralien, Polymeren und Biomaterialien sind. In einem AFM werden Kräfte über die Auslenkung eines Cantilevers gemessen, wenn auf ihn eine Kraft einwirkt. Die Auslenkung des Cantilevers wird von einem Detektionssystem, üblicherweise durch Fokussierung eines einfallenden Strahls als Punkt auf den Cantilever und die Lenkung des reflektierten Strahls auf einen segmentierten Detektor gemessen. Spezielle AFMs, sogenannte "force pullers", wurden für den Zweck gebaut, durch Ziehen an Molekülen deren Struktur und Dynamik zu bestimmen. Cantilever und Cantileveranordnungen, die denen in AFMs ähnlich sind, wurden kürzlich als chemische Abtastvorrichtung verwendet. In diesem Operationsmodus ist eine chemisch empfindliche Schicht auf eine der mehreren Oberflächen des Cantilevers aufgebracht. Wenn das Targetmolekül detektiert wird, werden die nanomechanischen Eigenschaften des Cantilevers beeinflußt, wie z. B. die Veränderung der Auslenkung und/oder Resonanzfrequenz des Cantilevers.
  • Seit Ihrer Einführung wurden die AFMs und die Cantilever-Abtastvorrichtungen zunehmend hinsichtlich der Meßbarkeit wesentlich kleinerer Kräfte sowie hinsichtlich der Verwendung wesentlich kleinerer Cantilever weiterentwickelt. Dies wiederum hat zu neuen Problemen hinsichtlich der Empfindlichkeit der Instrumente geführt. Es besteht ein Bedarf an einer erhöhten Empfindlichkeit und einer kleineren Punktgröße, um die kleineren Cantilever und kleineren Kräfte, die der Wissenschaftler, zur Probenmessung oder -manipulation benötigt, daran anzupassen. Ähnliche Detektionstechniken werden ebenso verwendet, um die Bewegung der optischen Proben, welche im Near-Field Scanning Optical Microscopes (NSOM), im scanning ion-conductance microscope (SICM) und in einer Vielzahl von anderen Rastersonden Mikroskopen verwendet werden, zu überwachen. Das wachsende Gebiet der Nanotechnologie bietet eine ausreichende Motivation zur präzisen Messung der Position und/oder Bewegung von einer breiten Palette von Objekten bis auf den Nanometerbereich herab und darunter.
  • Die folgenden US-Patente sind für die Erfindung relevant: US-Patent Nr. 5 825 020 – Rasterkraftmikroskop zur Generierung eines kleinen Punktes des einfallenden Lichtstrahls, US-Patent #RE034489 – Rasterkraftmikroskop mit einer optional ersetzbaren Flüssigkeitszelle und US-Patent Nr. 4 800 274 – Hochauflösendes Rasterkraftmikroskop. Die folgenden Veröffentlichungen sind relevant für die Erfindung: (1) Mario B. Viani, et al., "Small cantilevers for force spectroscopy of single molecules;" Journal of Applied Physics, Vol. 86, Nr. 4, 2258–2262. (2) Tilman E. Schaffer, et al., "Characterization and optimization of the detection sensitivity of an atomic force microscope for small cantilevers; Journal of applied Physics, Vol. 84, Nr. 9, 4661–4666. (3) Tilman E. Schaffen, et al., "An atomic force microscope for small cantilevers;" SPIE – The International Society for Optical Engineering, Vol. 3009, 48–52. (4) D.A. Walter, et al., "Short cantilevers for atomic force microscopy;" Review of Scientific Instrumentation, Vol. 67, Nr. 10, 3583–3590. (5) T.E. Schaffer, et al., "Studies of vibrating atomic force microscope cantilevers in liquid;" Journal of Applied Physics, Vol. 80, Nr. 7, 3622–3627. (6) Deron A. Walters, et al.; "Atomic force microscopy using small cantilevers;" SPIE – The International Society for Optical Engineering, Vol. 3009, 43–47. Alle vorgenannten Patente und Veröffentlichungen sind durch Ihre Zitierung hiermit bezogen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt Verbesserungen der optischen Laufweite und Detektion der reflektierten Lichtstrahlen zur Verfügung, die eine generelle Anwendbarkeit für alle optischen Systeme zur Messung der Bewegung eines Cantilevers bieten sowie spezifische Anwendungen für AFMs. Die Erfindung stellt insbesondere einen verbesserten AFM-Kopf zur Verfügung, der signifikant neue Merkmale und Vorteile im Vergleich zu existierenden AFM-Meßköpfen hat. Ein besonderes neues Merkmal ist die Verwendung eines neuen optischen Weges, bei dem unterschiedliche Bereiche einer Linse für den einfallenden und den reflektierten Lichtstrahl verwendet werden. Ein weiteres neues Merkmal dieses AFMs ist der vereinheitlichte optische Block, der alle optischen Elemente des optischen Laserdetektionssystems zwischen der Lichtquelle und der letzten Fokussierungslinse sowie die diese umgebenden Elemente in einer extrem kleinen und rigiden Baugruppe enthält. Eine weitere Neuerung besteht darin, daß der Strahl von der AFM-Lichtquelle niemals eine flache Oberfläche bei normalem Einfall trifft, außer daß er stark divergiert oder konvergiert. Ein weiteres neues Merkmal ist die dreidimensionale Flexur, die eine dreidimensionale Bewegung des optischen Blocks erlaubt. Ein anderes neues Merkmal besteht in der Ermöglichung einer Resonanzfrequenz von über 850 Hz für zwei mechanische Wege, dies beeinflußt am stärksten die Funktion des AFMs:
  • Die beiden mechanischen Wege sind der mechanische Weg vom Cantilever zur Probe und zwischen dem Cantilever und der Fokussierungslinse. Dies wird ermöglicht durch den Cantileverhalter, der unmittelbar kinematisch an die Oberseite des piezoelektrischen Scanners indiziert, um einen direkten mechanischen Weg zwischen der Probe auf der Oberseite des Scanners und dem Cantilever zur Verfügung zu stellen. Doch es gibt noch ein weiteres neues Merkmal, welches sowohl das AFM als auch das STM und andere Rastersondenmikroskope verbessert. Es beruht darauf, Kompositmaterialien oder Keramiken zur Herstellung des Gehäuses, des optischen Blocks und anderer Komponenten des Rastersondenmikroskopes zu verwenden, um so die gewünschte hohe Steifigkeit und einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu gewährleisten.
  • Als Resultat der Umsetzung eines oder mehrerer dieser Merkmale wird ein AFM erhalten, welches einen kleineren fokussierten Punkt, als bisher herstellbar, ermöglicht. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird eine Verbesserung eines AFMs zur Verfügung gestellt, in dem der einfallende Strahl fokussiert wird, um einen Punkt auf dem Cantilever zu bilden, welcher eine Größe von 5 μm oder weniger, bevorzugt 3 μm oder weniger in wenigstens einer Dimension hat.
  • Viele der erfindungsgemäßen Verbesserungen sind übertragbar auf optische Systeme, welche allgemein dazu dienen, die Messung der Bewegung oder der Position eines nanomechanischen Objektes oder eines Merkmals im Nanometerbereich oder einer Struktur eines Objektes zu messen.
  • Diese und andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden unter Hinzuziehung der folgenden detaillierten Beschreibung und beigefügten Zeichnungen deutlicher zu verstehen sein.
  • Es zeigen:
  • Die 1 eine perspektivische Ansicht des optischen Weges einer erfindungsgemäßen Ausführungsform und verbundener Komponenten sowie eine teilweise aufgebrochene Ansicht des Gehäuses eines Meßkopfs, z. B. für ein erfindungsgemäßes Rasterkraftmikroskop;
  • 2A ist eine perspektivische Ansicht des optischen Weges der 1 und verbundenen Komponenten, dargestellt außerhalb des Gehäuses;
  • Die 2B, 2C und 2D sind schematische, vergrößerte Ansichten alternativer Ausführungsformen des optischen Meßkopfes.
  • 3 ist eine perspektivische Ansicht des vereinheitlichten optischen Blockes, der die Komponenten der 1 enthält;
  • 4 ist eine Ansicht der 3 aus einem anderen Blickwinkel mit teilweise aufgebrochener Ansicht, um Details des optischen Blocks zu zeigen;
  • 5 ist eine Draufsicht auf das Mikroskop, wobei die Ansicht des Gehäuses teilweise aufgebrochen ist und laterale Positionierungsschrauben zeigt;
  • 6a ist eine Explosionsansicht des optischen Blocks und der Flexurkomponenten;
  • 6B ist eine Draufsicht auf die Ballkontaktoberfläche des vertikal beweglichen Fokussierungsteils, welches in der Erfindung verwendet wird;
  • 6C ist eine Draufsicht, die die Ballkontaktoberfläche der Fassung für die scheibenförmige Flexur, die für die Erfindung verwendet wird, zeigt;
  • 7 ist eine Ansicht der Unterseite des AFM-Kopfes, die die Anordnung der Flüssigkeitszelle, welche den AFM-Cantilever enthält zeigt;
  • 8 ist eine Ansicht der Unterseite des AFM-Kopfes, welcher die Flüssigkeitszelle separiert von dem AFM-Gehäuse darstellt.
  • 9 ist eine perspektivische Ansicht der Unterseite der Flüssigkeitszelle aus 8 und der gegenüberliegenden Oberfläche des Scanners, und zeigt die direkte kinematische Indizierung von der Flüssigkeitszelle an den Scanner; und
  • 10A und 10B sind vereinfachte schematische Darstellung des mechanischen Weges zwischen dem Cantilever und der Probe.
  • In Übereinstimmung mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Meßkopf zur Verfügung gestellt, der zur Messung der Auslenkung eines Cantilevers und anderer nanomechanischer Bausteine und Merkmale verwendet werden kann. Die gebräuchlichste Anwendung dieses Meßkopfes ist die als Detektionskopf eines Rasterkraftmikroskopes, allerdings kann dieser Meßkopf auch zur präzisen Messung der Bewegung von jeglichen Merkmalen im Nanometerbereich oder Strukturen oder nanomechanischen Objekten verwendet werden. Dies ist der Anwendungsbereich oder der Zweck, bei dem die Bewegung im Nanometerbereich wichtig für den Betrieb des Gerätes ist. Außerdem können viele der Hauptmerkmale des Meßkopfes dafür verwendet werden, eine verbesserte Leistungsfähigkeit bei der Messung der vertikalen und/oder lateralen Bewegung von willkürlich ausgewählten Objekten im Nanometerbereich zur Verfügung zu stellen.
  • Die Auslenkungen haben einen Bezug zur am Kantilever wirkenden Kraft und können dazu verwendet werden, Kraft-Distanzkurven zu messen, zur Messung einer Kraft welche, während der Bildgebung durch eine Rückkoppelung (feedback network) gesteuert wird, sowie zu Messungen in vielen weiteren Anwendungen, welche bereits für bekannte Rasterkraftmikroskopköpfe etabliert sind, sowie für die magnetic force microscopy, Kelvin probe microscopy, non-contact AFM und jedes andere Gerät, für dessen Messungen die Auslenkung von Cantilevern verwendet wird.
  • Die Erfindung betrifft insbesondere eine oder mehrere der folgenden Verbesserungen, von denen alle auf ein AFM übertragbar sind. Einige sind mehr auf allgemeine optische Systeme und andere auf Rastersondenmikroskope im allgemeinen auf solche wie AFM und STM übertragbar. Die Verbesserungen, die im Hinblick auf ein AFM dargestellt sind, sind die folgenden:
    • I. Der einfallende Laserstrahl ist nicht mit der zentralen Achse der Linse abgestimmt
    • II. Ein kleiner, fest eingebauter optischer Block enthält und umfaßt alle optischen Elemente von der Lichtquelle bis zur letzten Fokussierungslinse.
    • III. Eine Flexur erlaubt die dreidimensionale Bewegung des optischen Blockes.
    • IV. Verwendung von Compositmaterialien oder Keramiken.
    • V. Der Strahl trifft bei normalem Einfall niemals eine flache Oberfläche, außer wenn er konvergiert oder divergiert.
    • VI. Der kritische mechanische Weg zwischen dem Cantilever und der Probe sowie zwischen dem Cantilever und der Fokussierungslinse hat eine Resonanzfrequenz größer als 850 Hz.
    • VII. Der einfallende Strahl bildet einen 3 μm oder kleineren Punkt.
  • Diese Erfindung beinhaltet vielfältige andere Innovation die an geeigneter Stelle im folgenden beschrieben sind.
  • I. Der einfallende Laserstrahl ist nicht mit der zentralen Achse der Linse abgestimmt
  • Eine der Schlüsselherausforderungen eines kleinen Cantilever AFM Meßkopfes ist die Separation des einfallenden und des reflektierten Lichtstrahls. Der Grund hierfür ist, daß kleine Cantilever AFM-Optiken eine hohe numerische Apertur (NA) erfordern, um einen kleinen fokussierten Lichtpunkt auf den Cantilever abzubilden. Die Optiken mit der hohen numerischen Apertur haben typischerweise zur Folge, daß eine Linse mit kurzer Brennweite sehr nah an dem Cantilever angebracht wird. Hieraus resultiert ein kurzer Weg, um den, vom Cantilever reflektierten Lichtstrahl zum Detektor zu führen. Das oben erwähnte US-Patent 5 825 020 stellt eine Methode zur Separierung des einfallenden und des ausfallenden Strahls zur Verfügung. Der einfallende Strahl wird polarisiert, durch eine fokussierende Linse geführt, wird vom Cantilever zurück durch die gleiche Linse reflektiert und dann wird der reflektierte Lichtstrahl durch die Verwendung eines Lambdaviertelplättchens auf einen separierten Weg geführt.
  • Die Erfindung löst dieses Problem auf einem anderen und einzigartigen Weg, wie im Folgenden beschrieben, ohne ein Lambdaviertelplättchen zu verwenden. 1 und 2 illustrieren das optische System 10, welches in dem Gehäuse 12 eines AFMs in Übereinstimmung mit der Erfindung vorgesehen ist. Ein Lichtstrahl 14 einer Lichtquelle 16 wird durch eine Kollimatorlinse 18 geführt. Die Lichtquelle kann eine Laserdiode, ein Helium-Neon-Laser oder ein Laser oder Laserdiode gekoppelt an eine optischer Faser, ein "vertical cavity surface emitting" Laser, eine Superlumineszenzdiode oder lichtemittierende Diode oder eine andere Quelle, die einen Lichtstrahl erzeugt, sein. Im Falle einer Festkörperlichtquelle sollte die Lichtquelle Idealerweise einen sehr kleinen emittierenden Bereich im Bereich von 30 μm oder weniger haben.
  • Nachdem der Lichtstrahl die Kollimatorlinse 28 verläßt, wird er als einfallender Lichtstrahl 20 durch eine Hälfte einer Linse 22 geführt, die ihn auf den Cantilever 24 fokussiert. Das dargestellte optische System kann für den Betrieb an Luft, anderen Gasen oder im Vakuum verwendet werden. Ein Glascantileverhalter, ähnlich dem in der US-Patentschrift B1 Re 34,489 kann ebenso verwendet werden, um dem Detektionssystem die Messung der Bewegung des Cantilevers, der in eine Flüssigkeit eingetaucht ist, zu ermöglichen. Der am Cantilever 24 reflektierte Strahl 26, wird durch die andere Hälfte der Linse 22 auf seinen Weg zum Detektor geführt. Des weiteren sind weitere optische Komponenten zwischen der Linse 22 und dem Detektor vorgesehen, welche kurz beschrieben werden. Die Erfindung stellt auf sehr einfachem und kompaktem Weg die Separierung des einfallenden und ausfallenden Lichtstrahls zur Verfügung. Während der einfallende Lichtstrahl 20 die Linse 22 außerhalb der zentralen Achse der Linse trifft, verläßt der Lichtstrahl die Linse nicht unter einem 0°-Winkel im Bezug auf die optische Achse der Linse. Wenn der Cantilever senkrecht zur optischen Achse befestigt ist, wie in der bevorzugten Ausführungsform, wird der ausfallende Lichtstrahl 26 so vom Cantilever reflektiert, daß er einen ähnlichen Winkel im Bezug auf die optische Achse hat. Diese beiden nicht 0°-Winkel bewirken den Abstand zwischen dem einfallenden und dem ausfallenden Lichtstrahl, um diese zu separieren. In der bevorzugten Ausführungsform ist im wesentlichen keine Überlappung zwischen dem einfallenden Lichtstrahl 20 und dem reflektierten Lichtstrahl 26. Wenn der einfallende Lichtstrahl 20 ziemlich weit entfernt von der zentralen Achse der Linse 22 eingestellt wird, dann durchläuft der, die Linse verlassende Strahl auf dem Weg zum Cantilever einen ziemlich steilen Winkel. Dies hat in einem AFM weitere Vorteile, weil es kein von der Probe ausgehendes reflektiertes oder gestreutes Streulicht, welches den Detektor nicht treffen sollte, in diese Richtung erzeugt. Dieses Streulicht kann optische Interferenzen in dem AFM Meßelementen erzeugen und wird im folgenden genauer beschrieben.
  • In der bevorzugten Ausführungsform, wie in 2A beschrieben, ist die Ausrichtung des einfallenden Lichtstrahls 20 in die Linse 22 so ausgewählt, so daß keine Überlappung zwischen dem einfallenden Lichtstrahl 20 und dem ausfallenden Lichtstrahl 26 besteht. Es gibt viele ähnliche Ausführungen, die alle in die vorliegende Erfindung fallen. Zum Beispiel ist in 2B die Linse 22 annähernd in zwei Teile geteilt, so daß der reflektierte Lichtstrahl 26 nicht durch die Linse zurückgeführt wird. In einer anderen nicht bevorzugten Ausführungsform, in 2C gezeigt, sind der einfallende und der ausfallende Lichtstrahl so angeordnet, daß sie sich geringfügig überlappen. Diese Ausführungsform könnte einen stärkeren NA-Lichtstrahl erzeugen, was wiederum zu einem kleineren fokussierten Punkt führt und/oder die Verwendung einer kleineren Linse erlauben könnte. Eine vierte alternative Ausführungsform ist in 2D dargestellt. In dieser Ausführungsform ist der einfallende Lichtstrahl annähernd mit der zentralen Achse der Linse abgestimmt. Allerdings wird in diesem Fall ein Strahlteiler oder Spiegel in den Weg des einfallenden Lichtstrahls plaziert, um partiell den einfallenden Lichtstrahl zu blockieren. Anschließend wird ein Teil des reflektierten Lichtstrahls von dem Strahlleiter oder Spiegel zum Detektor geführt. Natürlich sind vielfältige Variationen dieses Konzeptes möglich, die zu ähnlichen Resultaten führen und in den Schutzbereich der Erfindung fallen.
  • Bezugnehmend auf die oben bereits erwähnte bevorzugte Ausführungsform der 2A wird der Lichtstrahl, nachdem er die Linse 22 als ausfallenden Lichtstrahl verläßt, anschließend von dem kleinen Spiegel 28 reflektiert, dann passiert er optional den Interferenzfilter 30, dann optional eine zylindrische Linse 32, um den Detektor 34 zu treffen. Der optional vorgesehene Interferenzfilter 30 wird so positioniert, daß der primäre Lichtstrahl 26, welcher vom Cantilever 24 reflektiert wird, diesen passieren kann und anderes Licht blockiert wird. Idealerweise ist der Filter 30 nicht reflektierend und absorbierend um die Streuung und/oder Reflektion des Streulichts zu minimieren. Streulicht kann viele Ursachen haben, auch Umgebungslicht und Licht vom Detektor, welches von den optischen Oberflächen gestreut oder reflektiert wird und/oder von den Oberflächen der mechanischen Gehäusekomponenten. Der Interferenzfilter blockiert dieses Streulicht und vermindert die Interferenzeffekte, welche sonst als Welle in den Kraftdistanzkurven sichtbar sind. Der kleine Spiegel 28 kann ebenfalls ein kleines Prisma sein, in dem die interne Totalreflektion verwendet wird, um den Lichtstrahl zu lenken. Die optionale zylindrische Linse wird verwendet, um den Lichtstrahl zu fokussieren oder andererseits die Größe in der Achse senkrecht zur Bewegungsrichtung des Lichtstrahls als Antwort auf die Krümmung des Cantilevers zu beschränken.
  • II. Eingebauter optischer Block
  • Die 3 zeigt die Komponenten der 1 in einem einzigen optischen Block 40. Der optische Block enthält alle optischen Elemente zwischen der Lichtquelle und der Fokussierungslinse sowie die diese umgebenden. Das Vorsehen dieser Komponenten in einem einzigen eingebauten Block erlaubt die optimierte Platzierung der eingebauten optischen Elemente, die dann optional in dieser Stellung festgestellt werden können. Diese Anordnung der kritischen optischen Komponenten, die einen Beitrag zur Leistungsfähigkeit des Meßkopfes leisten, erlaubt, daß diese relativ zueinander fixiert bleiben und so die optische Leistungsfähigkeit nicht durch die Benutzereinstellungen beeinträchtigt wird. Vorbekannte kleine Cantilever AFM-Meßköpfe, wie der in der US-Patentschrift 5 825 020 positionieren den fokussierten Punkt auf den AFM-Cantilever durch Verschieben wenigstens einer Linse relativ zu einer oder mehreren anderen Linsen in dem optischen Weg. Siehe beispielsweise 7 des 5 825 020 Patents. In dieser Figur bewegt die Einstellung der Schraube 72 die Linse 62 relativ zur letzten Fokussierungslinse 60, um den fokussierten Punkt zu verschieben. In der 9 dienen die Schrauben 184 und 186 auf ähnliche Weise zur Verschiebung der Lichtquelle relativ zu vielen anderen optischen Elementen. Diese Anordnung bewirkt die Verminderung der optischen Leistungsfähigkeit, weil der ausgeblendete Laserstrahl unterschiedliche Bereiche der Fokussierungslinse durchläuft und so die Linsen nicht unter den optimalen Winkeln trifft. Dies wiederum führt zu Veränderungen in der Größe des Laserpunktes, weil die Position des Laserpunktes durch den Verwender eingestellt wird.
  • Der eingebaute optische Block 40 der Erfindung bietet eine Verbesserung im Gegensatz zum Stand der Technik, weil alle kritischen optischen Elemente sich gemeinsam bewegen, wenn der fokussierte Punkt auf den Cantilever gelenkt wird. (Der Steuermechanismus, eine dreidimensionale Flexur wird im nächsten Abschnitt beschrieben). Ebenso erlaubt diese Technik es dem Meßkopf, einen kleineren Brennpunkt über den gesamten Einstellbereich des Meßkopfes zu halten. Dieser optische Block kann ebenso optional mit einem Gas, welches einen Brechungsindex, der gegenüber Temperaturschwankungen stabil ist, gefüllt und versiegelt werden. Dies verhindert die Verzerrung der Lichtstrahlen, obgleich sich die umgebende Lufttemperatur ändert.
  • Der eingebaute optische Block 40 besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem Brückenteil 42, das an den Grundkörper 44 geklebt ist. Die Brücke und der Grundkörper können auf jede Art und Weise miteinander verbunden sein. Die Brücke 42 und der Grundkörper 44 können aus einem Stück maschinell hergestellt oder geformt sein. Die Brücke 42 hat eine Fügeverbindung, für die neuartige drei-dimensionale Flexur, welche im nächsten Abschnitt beschrieben wird und die es erlaubt, den Lichtstrahl auf den Cantilever zu lenken. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Lichtquelle 16 unter das Brückenstück 42 eingebaut. Weitere Details des eingebauten optischen Blocks werden detailliert in Abschnitt III und IV beschrieben.
  • III. Flexur, die die dreidimensionale Bewegung des optischen Blocks erlaubt
  • Der optische Block 40 ist über eine neue, dreidimensionale, scheibenartige Flexur 52 an dem Gehäuse 12 befestigt. Diese Flexur ist so gestaltet, daß der optische Block entlang zweier Achsen um einen Punkt der Zentralachse der Lichtquelle geschwenkt werden kann, um den fokussierten Punkt auf den Cantilever oder auf andere nanomechanische Objekte zu lenken. Die 3D Flexur erlaubt es ebenso den optischen Block unabhängig in einer Dimension entlang der Achse der Lichtquelle zu bewegen. Dies erlaubt die Abstimmung der Fokussierung, z. B. den Höhenabgleich des fokussierten Punktes auf die Ebene des Cantilevers oder eines anderen nanomechanischen Objektes.
  • In der bevorzugten Ausführungsform ist die scheibenförmige Flexur aus Stahl, aber sie kann ebenso aus anderen Metallen, wie Aluminium, Kupfer, Berylliumkupfer oder Titan oder anderen Materialien mit geeigneter Steifigkeit bestehen. Ein vertikal bewegliches Fokussierelement 54, in Form einer feinen Feingewindeschraube, drückt, über einen Edelstahl- oder anderen Präzisionsball 58 und einer Gewindehülse 60 auf das Zentrum der Flexur 52, um die wirkende Kraft zu zentralisieren. Die scheibenförmige Flexur 52 ist in der bevorzugten Ausführungsform in Form einer flachen, runden Scheibe ausgebildet. In einer alternativen Ausführungsform kann die scheibenförmige Flexur Auslassungen haben um die Federkonstante herabzusetzen und so die Bewegung der Flexur in die Bewegungsrichtungen zu erhöhen. Die Flexur ist nicht notwendigerweise rund, aber sie sollte wesentlich steifer hinsichtlich inplain Bewegungen im Vergleich zu out-of-plane Bewegungen sein.
  • Die Gewindehülse 60 sichert die scheibenförmige Flexur zentral an den optischen Block 40 durch Verschraubung mit einer Buchse 62 mit entsprechendem Gegengewinde, welche auf der Oberseite des optischen Blockes 40 befestigt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die scheibenförmige Flexur 52 seitlich beabstandet der Buchse 62 an einer Vielzahl von Positionen 64 entlang des äußeren Umfangs durch Verwendung von Befestigungsmitteln, wie z. B. Schrauben gesichert. Alternativ kann der äußere Umfang der scheibenförmigen Flexur 52 auf eine Vielzahl von anderen Wegen z. B. durch Verschweißen, durch Festhalten mittels eines Spannrings, Kleben oder durch andere ähnlich wirkende Hilfsmittel erreicht werden. Wenn sich der Ball 58 zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen des vertikal beweglichen Fokussierungselementes 54 und der Hülse 60 der scheibenförmigen Flexur 52 befindet, wird die laterale Translation des optischen Blockes 40 verhindert, während der optische Block 40 auf und abwärts bewegt werden kann und auch relativ zu dem Gehäuse 12 schwenkbar ist.
  • Ein Hebel zur Feinkokussierung 56 ist mit dem vertikal beweglichen Fokussierungselemt 54 verbunden und von diesem beabstandet, um die Feinfokussierung über die vertikale Bewegung des optischen Blockes 40 zu ermöglichen. Das Gehäuse 12 ist mit einem länglichen lateralen Schlitz 66 versehen (s. auch 1) durch den der Hebel für die Feinfokussierung 56 heraussteht.
  • Bezugnehmend auf die 6A und 6B können eine oder beide der gegenüberliegenden Oberflächen des Fokussierungselementes 54 und die Hülse 60 der scheibenförmigen Flexur 52, insbesondere 86 und 70 können mit einem Saphiercoating beschichtet sein, um einen guten Rollkontakt mit dem Ball 58 zu gewährleisten.
  • Die beschriebene Anordnung des vertikal beweglichen Heimfokussierungselementes 54, welches zentral über die glatte drehende Kugel mit der scheibenförmigen Flexur 52 verbunden ist, welche wiederum an ihrer Peripherie an dem Gehäuse 12 befestigt ist, um die laterale Bewegung des optischen Blockes 40 zu verhindern, wenn der Hebel 56 gedreht wird, um die scheibenförmige Flexur 52 vertikal auszulenken, dies erlaubt sogar die Schwenkbewegung, so daß die laterale Bewegung des Laserstrahls 20 zur Abstimmung mit dem Cantilever 24 oder mit einem Cantilever ausgewählt aus einer Vielzahl von Cantilevern möglich ist.
  • Insbesondere in Bezug auf die 4 und 5, dient der Hebel 56 zur Feinfokussierung, weil er den gesamten optischen Block 40 relativ zum Gehäuse 12 bewegt, welcher unbeweglich mit dem Cantileverhalter 72 durch eine Feststellschraube 54 verbunden ist, die in einer Fuge am Cantileverhalter 72 befestigt ist. Eine ähnliche Fuge (nicht abgebildet) auf der anderen Seite des Cantileverhalters ist an zwei Bällen im Gehäuse 12 eingerastet (nicht abgebildet). Dies bildet eine semi-kinematische Halterung zur Befestigung des Cantileverhalters 72, wodurch der Cantilever 24 relativ zum Gehäuse 12 rigide ist. Da der Hebel 56 den optischen Block 40 relativ zum Gehäuse 12 bewegt, bewegt er daher auch den optischen Block 40 relativ zum Cantilever 24, um die Feinfokussierung zu ermöglichen. Bekannte AFMs haben häufig das Problem, daß sich bei der Feinfokussierungseinstellung ebenfalls der Punkt zusammen mit der störenden lateralen Bewegung bewegt, und sich so der fokussierte Punkt vom Cantilever während der Fokussierungseinstellung von dem Cantilever wegbewegt. Die erfindungsgemäße Feinfokussierung, ermöglicht durch den Hebel 56 und die innovative 3D Flexur, ist der bekannter AFMs überlegen, weil es die Bewegung des Brennpunktes des optischen Systems als im wesentlichen beschränkt auf eine einzelne Translationsachse erlaubt. Dies erlaubt dem Benutzer den Brennpunkt des AFM-Meßkopfes einzustellen, während der Lichtpunkt sogar auf einem sehr kleinen Cantilever, der im Bereich von 5 μm lang ist, gehalten werden kann.
  • Die 3 und 5 zeigen Ansichten des Mikroskops, die beide laterale Positionierungsschrauben 36 und 37 darstellen. Diese Positionierungsschrauben drücken gegen den optischen Block 40, um diesen relativ zu dem ausgewählten Cantilever aus einer Vielzahl von Cantilevern zu positionieren (solche wie auf dem Cantileverchip in der 2 des US-Patentes 5 825 020 24 gezeigt) und daher den Laserpunkt auf den gewünschten Cantilever positionieren. Die Flexur 52 kann vorinstalliert sein, um fest gegen die Positionierungsschrauben 36 und 37 zu drücken. Dadurch kann die Flexur 52 den optischen Block 40 in drei Dimensionen relativ zum Cantilever 24 bewegen, um sowohl die Positionierung als auch das Fokussieren des einfallenden Laserstrahls 20 auf dem Cantilever 24 zu ermöglichen. Diese Anordnung ist besser als das Lasersteuerungssystem, welches in den meisten AFMs verwendet wird. Die meisten AFMs benutzen eine kinematische zwei-Achsen Kippbühne, um den Laserstrahl in zwei orthogonalen Richtungen zu steuern. Diese Systeme sind erhältlich, z. B. von Newport Corporation, Melles-Griot und vielen anderen Firmen. Diese zwei-Achsen Kippbühne haben eine ausreichende Auflösung und arbeiten gut in AFMs mit großen Cantilevern, die beispielsweise länger als 50 μm sind. Leider wird die manuelle Justage immer schwieriger für sehr kurze Cantilever, speziell für solche, die kürzer als 10 μm lang sind. Typische kinematische Kippbühnen haben einen Hebelarm, der die Bewegung des fokussierten Punktes im Vergleich zum Bedienteil für die Justage vergrößert. Diese Vergrößerung (häufig zweifach oder höher) setzt voraus, daß der Benutzer die Justageschraube, um einen wesentlich kleineren Betrag bewegt als er den fokussierten Laserstrahl bewegen möchte. Die vorliegende Erfindung bietet eine Verbesserung der Steuerung der Laserelemente durch die beiden Laserjustierschrauben 36 und 37, die sehr nah am Boden des eingebauten optischen Blocks 40 vorgesehen sind. Diese Anordnung hat zwei Vorteile. Erstens reduziert sie die Hebelwirkung der Kippbühne (auf ungefähr 1,25 in der bevorzugten Ausführungsform), während die Kippbühne extrem kompakt bleibt. Zweitens reduziert es substantiell den mechanischen Weg, der die Position des Laserpunktes kontrolliert. Das bedeutet, die laterale Position des Laserpunktes wird durch die Schrauben, welche nur wenige Millimeter oberhalb des Cantilevers eingebaut sind, bestimmt. Bezugnehmend auf 4, wird die Länge des mechanischen Weges faktisch nur durch den Durchmesser der Enden der Schrauben 36 (und 37, nicht abgebildet) beschränkt und durch die Dicke des Cantileverhalters 72.
  • Die optische Linse 22 ist in einer Gewindemuffe 81 befestigt, welche in einer Linsenhalterung 83 in den optischen Block 40 eingeklebt ist. Durch Drehen der Gewindemuffe 81 in die Linsenhalterung 83 kann eine grobe Fokussierung auf dem Cantilever 24 erreicht werden.
  • Wie in 3 gezeigt, ist eine relativ dicke Laserpositionierungsflexur 64 vorgesehen, die die Einstellung der Lichtquelle 16 auf die Kollimatorlinse 18 erlaubt (gezeigt in der Ausschnittsansicht in 2). Die Lichtquelle 16 ist auf der Laserpositionierungsflexur 46 befestigt und wird durch eine Schraube 48 in Ihrer Stellung befestigt oder mit einem Klebstoff verklebt. Eine andere Schraube 50 wird verwendet, um die Laserpositionierungsflexur 46 relativ zum Grundkörper 44 zu beugen und daher den Abstand zwischen der Lichtquelle 16 und der Kollimatorlinse 18 zum Zwecke der Herstellung eines gut eingestellten Lichtstrahls zu verändern bzw. alternativ einen divergierenden Strahl oder konvergierenden Strahl, wobei dies zusammen mit der Objektivlinse 22 einen geeigneten Punkt auf dem Cantilever 24 erzeugt. Der gut eingestellte Strahl passiert als nächstes die Objektivlinse 22. In einer bevorzugten Ausführungsform ist diese zweite Flexur aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, so daß es als Wärmesenke für jegliche Hitze, die durch die Lichtquelle erzeugt wird, dient.
  • Die zweite Flexur kann ebenso durch andere alternative Ausführungsformen ersetzt werden. In einer alternativen Ausführungsform können der Kollimator und die Lichtquelle in einem festen Aufbau angeordnet sein, der es erlaubt, die Linse und die Lichtquelle an einer optimalen Position zu positionieren, um einen hoch ausgerichteten ausfallenden Lichtstrahl zu erzeugen und dann die Komponenten in dieser Position zu verkleben.
  • IV. Verwendete Compositmaterialien oder Keramiken.
  • Die zuvor beschriebenen Teile sind wie auch der einheitliche optische Block 10, 12 aus Karbon-Kompositmaterial. Der Vorteil dieses Materials ist eine hohe Steifigkeit, welche durch die Quadratwurzel seines Elastizitätsmoduls über seine Dichte gegeben ist. Weiterhin hat es einen sehr geringen thermischen Expansionskoeffizienten. Beide Eigenschaften sind sehr bevorzugt für Rastersondenmikroskope. Andere Kompositmaterialien, die eine oder beide dieser Vorteile inne haben, können ebenso für Rastersondenmikroskope benutzt werden. Daher ist eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung, zur Herstellung von Gehäusen, optischen Blöcken, Scannern und anderen Komponenten für Rastersondenmikroskope, solche wie AFMs und STMs, Kompositmaterialien zu verwenden.
  • Geeignete Kompositmaterialien bestehen, aber sind nicht auf diese Komposite beschränkt, aus Harzen mit hoher Festigkeit, Hochmodulfasern, wie z. B. Fieberglas, Graphit, Karbon, Bohr, Quarz und Aramidfasern, z. B. aromatische Polyamidfasern, die dadurch charakterisiert sind, daß sie exzellente hochtemperatur, flammenhemmende und elektrische Eigenschaften haben. Geeignete Kompositmaterialien sind dadurch charakterisiert, daß sie ein Elastizitätsmodul von 5 GPa bis 300 GPa besitzen, welches eine ausreichend große thermische Stabilität während der Benutzung besitzt. In besonders bevorzugten Ausführungsformen haben die Kompositmaterialien ein Elastizitätsmodul von 10 GPa oder höher. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Elastizitätsmodul 40 GPa oder höher und in weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist das Elastizitätsmodul 100 GPa oder höher. Die höchste Faserstärke von Kompositmaterialien wird mit Karbonfasern erreicht. Die Karbonfasern können in einer Epoxidmatrix oder bevorzugterweise in einer Graphitmatrix eingebettet sein. Die Endlosfasern können in jeder Raumrichtung orientiert sein, aber ein semi-isotropes Design in wenigstens einer Ebene ist bevorzugt. Einige Kompositmaterialien haben unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten in einer Achse im Vergleich zu den anderen Achsen. Werden solche Materialien verwendet, ist es vorteilhaft, daß das Material mit der Achse, die die geringere thermische Ausdehnung hat, so orientiert ist, daß es entlang der Achse der größten Länge im mechanischen Weg zwischen dem Cantilever und der Probe angeordnet ist.
  • In der bevorzugten Ausführungsform haben die Erfinder ein Karbon-Karbonkompositmaterial mit einem hohen Widerstand verwendet, welches aus Karbonfasern eingebettet in einer pyrolytischen Grafitmatrix besteht. Das Elastizitätsmodul von Karbon-Karbonkompositen ist sehr hoch. Üblicherweise im Bereich von 15 bis 20 GPa für Komposite, welche mit dreidimensionalem Faserfilz (zufällige Orientierung der Fasern) bis 150 bis 200 GPa für solche, welche mit gleich gerichteten Fasermatten hergestellt werden. Die Wahl des Materials mit einem hohen Elastizitätsmodul im Verhältnis zur Dichte hat einen substantiellen Einfluß auf das Vermögen die Resonanzfrequenz des mechanischen Weges auf über 850 Hz zu erhöhen, wie unten beschrieben wird. Außerdem sind einige Karbon-Karbonkompositmaterialien mit extrem geringer Dichte erhältlich. Zum Beispiel das "Etan" Material von Aerospace Composite Products, daß eine Dichte von 1.3 pro g/cm3 hat, angenähert die halbe Dichte von Aluminium, welches eine Dichte von etwa 2,7 g/cm3 hat. Da der optische Block der Erfindung unterhalb der 3-dimensionalen Flexur hängt, hängt die Eigenfrequenz der Flexur von der Masse des optischen Blockes ab. Daher war es den Erfindern möglich, durch Herstellen des optischen Blocks aus einem Material mit extrem geringer Dichte eine sehr viel höhere Eigenfrequenz der Flexur zu erreichen, als es mit einem Block, der aus Metall besteht, möglich wäre. Es ist bevorzugt, daß die Dichte des Kompositmaterials geringer als 5 g/cm3 bevorzugter weniger als 2,0 g/cm3, am bevorzugtesten weniger als 1,5 g/cm3 ist.
  • Der Faservolumenanteil im Verhältnis zum Einheitsvolumen des Kompositmaterials ist zwischen 20 bis 70 %, bevorzugt größer als 50%. Ein hoher Faseranteil pro Volumeneinheit, bevorzugt im Bereich von 50 bis 70% hat den Vorteil, daß ein dichtes Material mit guter Einbettung der Hartmaterialien zu einer hohen Festigkeitsgrenze (high grain strenght limit) führt.
  • Des weiteren haben Karbon-Kompositmaterialien einen sehr vorteilhaften thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Die meisten Rastersondenmikroskope leiden unter dem Problem der "thermischen Drift". Dies bedeutet, daß sich der mechanische Weg zwischen dem Meßfühler und der Probe oder zwischen dem Meßfühler und dem Detektionssystem verändert, wenn die Temperatur schwankt. Wenn sich der mechanische Weg zwischen dem Cantilever und der Probe sich in der Länge mit der Temperatur verändert, erscheint diese Veränderung als Veränderung in der Position der Oberfläche der Probe, was die Meßergebnisse der Probe vernichtet. Dieses Problem der thermischen Ausdehnung oder Kontraktion in Abhängigkeit von der Temperatur der Materialien, die im mechanischen Weg verwendet werden, schwankt. Die meisten AFMs bestehen aus Metallen, wie Aluminium oder rostfreiem Stahl, welche einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 10–5 pro°C haben. Die meisten AFMs sind aus InvarTM, einer metallischen Legierung, welche entwickelt wurde, um einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu besitzen. Dieses Material ist leider teuer, schwierig zu bearbeiten und rostet über die Zeit, wenn es nicht mit einem zusätzlichen Coating wie Nickel geschützt ist. Dieses Problem der vorbekannten AFMs wird dadurch überwunden, daß Kompositmaterialien wie Karbonfaser-Komposite verwendet werden. Abhängig von der Zusammensetzung und der Orientierung der Faserachsen kann das Karbon-Kompositmaterial einen positiven oder negativen thermischen Ausdehungskoeffizienten besitzen. Dies erlaubt es, das Komposit so herzustellen, daß es einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von nahezu Nul hat. Für die bevorzugte Ausführungsform kann man ein Karbon-Karbonkomposit benutzen, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten unter 5 × 10–6/°C bevorzugter 10–6/°C hat, die ist nahezu 10 × besser als Aluminium oder Stahl.
  • Der Karbon-Karbonkomposit der bevorzugten Ausführungsform kann direkt angebohrt und mit verschiedenen Justierungschrauben, die im Meßkopf verwendet werden, angeschraubt werden, z. B. die Feinjustierschrauben, welche zur Einstellung des fokussierten Punktes verwendet werden. Erfindungsgemäß werden Innengewinde in den Karbon-Karbonkomposit mit einer Gewindesteigung von bis zu 200 Gewindegängen/Inch eingebracht. Die Karbon-Karbonkompositmaterialien haben ebenso die Eigenschaft, daß sie auf eine Weise selbst-klemmend und selbst-schmierend sind. Dies bedeutet speziell, daß beim einmaligen Bewegen der Einstellschraube eine ziemlich starke Reibungskraft vorhanden ist, die diese festhält. Wenn einmal die Bewegung eingeleitet ist, kann die Schraube relativ gleitend mit hoher Präzision eingestellt werden. Wenn jedoch die Schraube nicht mehr bewegt wird, relaxiert das Karbon-Karbonkompositmaterial wieder und klemmt das Schraubengewinde ein, wodurch die Einstellung der Schraube gehalten wird.
  • Die Verwendung eines Kompositmaterials hat auch für viele andere Komponenten eines AFMs Vorteile. Z. B. für das Scannergehäuse 49 der 9, welches ebenso aus einem Kompositmaterial bestehen kann, wodurch eine höhere Stabilität und Geräuschdämmung erreicht wird.
  • Andere Materialien, die eine hohe Steifigkeit und geringe thermische Ausdehungskoeffizienten haben, wie z. B. Keramiken können ebenso nützliche Materialien für Rastermikroskopköpfe sein. Daher können Fasern der Faserstruktur aus nicht-oxidisolen, Keramikfasern wie die Silikonkarbide und/oder Silikonhibride oder aus Fasersystemen, welche Silikon, Bor, Karbon oder Stickstoff enthält, hergestellt sein.
  • Obwohl das Gehäuse so dargestellt ist, als ob es aus zwei Teilen besteht, kann es aus einem Teil bestehen oder aus vielen, die miteinander durch Verbindungen oder Kleber verbunden sind, abhängig davon was leichter herzustellen ist oder aus anderen Abwägungen. Vielfältige andere dreidimensionale Mikropositionierer könnten zur Positionierung des einheitlichen optischen Blockes verwendet werden.
  • V. Der Lichtstrahl trifft niemals eine flache Oberfläche bei normalem Einfallwinkel
  • Eine neue Besonderheit des optischen Systems der Erfindung ist, daß der Strahl 14, 20, 26 von der Lichtquelle 16 niemals eine flache Oberfläche bei normalem Einfall trifft, mit der Ausnahme, daß er stark divergiert oder konvergiert was der Fall ist, wenn eine Flüssigkeitszelle zwischen der Objektivlinse 22 und dem Cantilever 24 vorhanden ist. Selbst der Detektor 34, am Ende des optischen Weges ist gegenüber dem normal reflektierten Strahl 26 abgewinkelt. In dem Fall, daß die Lichtquelle 16 ein Laser oder eine laserartige Quelle ist, verhindert dies die Bildung einer optischen Kavität mit schädlichen Feedbackeffekten auf die Leistung der Lichtquelle 16.
  • VI. Kritische mechanische Wege haben eine Resonanzfrequenz größer als 850 Hz
  • Eine weitere Besonderheit dieses Mikroskops ist eine Resonanzfrequenz des mechanischen Weges zwischen dem Cantilever und der Probe sowie dem Cantilever und dem Detektionssystem von größer als 850 Hz. Die 10A zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines typischen mechanischen Weges zwischen dem Cantilever (oder anderen Rastersonden) 100 und der Probe 102. Der mechanische Weg besteht aus einer oder mehreren strukturellen Einheiten 104, die schematisch in 10A dargestellt sind. Diese Struktur kann eine willkürliche Form haben aber sie wird eine oder mehrere Modi der Bewegung haben, die die Distanz zwischen dem Cantilever und der Probe verändern. Diese Bewegungsmodi werden angeregt durch externe Quellen akustischer oder vibratorischer Energie, der Cantilever und die Probe bewegen sich dann relativ zueinander. Da der Cantilever die Struktur oder andere Eigenschaften der Probe verfolgen soll, überlagert diese unerwünschte Bewegung zwischen dem Cantilever und der Probe direkt das gewünschte Signal, und agiert als Interverenzrauschen und stört und schwächt die Bewegung der tatsächlichen Cantileverbewegung.
  • Es gibt einen zweiten sehr wichtigen mechanischen Weg in einem Rastersondenmikroskop – den Weg zwischen dem Cantilever (oder einem anderen Meßfühler) und dem Detektionssystem. Dieser mechanischer Weg ist in einer vereinfachten schematischen Darstellung in 10B dargestellt. In dieser Figur besteht der kritische mechanische Weg aus den Strukturen 106, welche zwischen dem Cantilever oder einem anderen Meßfühler 100 und dem Detektionssystem 108, welches zur Messung der Position oder Bewegung des Meßfühlers 100 verwendet wird, zwischengeschaltet. Für den erfindungsgemäßen Meßkopf ist dies der Weg zwischen dem fokussierten Punkt des Lichtstrahls und dem Cantilever. Jede oszillierende Bewegung, die eine relative Neigung zwischen dem Cantilever und dem Lichtstrahl erzeugt, überlagert direkt das gemessene Signal, und führt gleichermaßen zur Störung und Schwächung der Messung der Cantileverbewegung.
  • Im allgemeinen ist das Gerät umso immuner gegenüber äußeren Schwingungen, je höher die Resonanzfrequenz dieses mechanischen Weges ist. Bei einer externen Störungsquelle, die eine wesentlich geringere Frequenz als die Resonanz der Struktur hat, wird das Rauschen im Verhältnis (fs/fn)2 verstärkt. Bei z. B. einer Quelle mit einer mechanischen Oszillationsfrequenz bei 200 Hz vorstellen. Wenn einer Eigenfrequenz des mechanischen Weges von 800 Hz wird die Verstärkung dieser Interferenz (800 : 200)2 = 16 sein. Wenn die Resonanzfrequenz des kritischen mechanischen Weges von 800 Hz auf 1200 Hz erhöht wird, verändert sich die Verstärkung sogar auf (1200 : 200)2 = 36. Und wenn die Resonanzfrequenz der Struktur von 10.000 Hz erreichbar wäre, ginge der Verstärkungsfaktor auf 2500! Noch detaillierter ist dieses Konzept in der Publikation "Assessing the quality of scanning microscop designs", bei James Thompson et al, Nanotechnology 12 (2001) 394–397 beschrieben. Diese Publikation umreißt auch eine experimentelle Methode zur Messung der Resonanzfrequenz eines AFM-Meßkopfes und des "Vibrationsunterdrückungsverhältnisses". Die Technik dieser Publikation ist nicht Teil der Erfindung aber ein Teil der Analyse und Meßtechniuken wurden verwendet, um die verbesserte Leistung der Meßköpfe der Erfindung zu bestätigen.
  • Die Erfindung erreicht höhere Resonanzfrequenzen dieses kritischen mechanischen Weges als es in vorbekannten AFMs, insbesondere werden 850 Hz für einen oder beide der mechanischen Wege gezeigt in 10 erreicht. Erstens ist die Wahl des Materials der Schlüssel zum Erfolg. Die Eigenfrequenz im normalen Oszillationsmodus ist sehr häufig eine komplexe Funktion der Geometrie der Struktur aber hat üblicherweise die einfache Abhängigkeit vom Therm (E : ρ)1/2, wobei E das Elastizitätsmodul des Materials und ρ die Dichte ist. Die meisten AFMs sind aus Metallen wie Aluminium, Edelstahl, Invar und sogar aus Titan konstruiert. Überraschenderweise haben all diese Materialien einen sehr ähnlichen Wert für das Verhältnis E/ρ von ungefähr 2.0 × 107 m2/s2. Stellt man sich z. B. ein typisches Karbon-Karbonkompositmaterial vor, welches ein Elastizitätsmodul von 100 GPa und eine Dichte von 1800 kg/m3 haben könnte, so hätte das Karbonfaserkompositmaterial wie oben beschrieben einen Wert für das Verhältnis E/ρ von 5.5 × 107 m2/s2. Daher könnte mit der exakt gleichen Struktur eine Eigenfrequenz des AFM-Kopfes, welches aus Karbonfaserkomposit hergestellt ist, zwei mal besser als die, die aus den üblichen metallischen Materialien hergestellt sind, sein.
  • Unter Verwendung dieses Karbon-Kompositmaterials wurde der erfindungsgemäße AFM-Meßkopf mit Resonanzfrequenzen oberhalb von 850 Hz gebaut. Eine Ausführungsform, gebaut, um anstatt des "MultiMode AFM" Kopfes hergestellt von Digital Instruments/Veeco Metrology eingesetzt zu werden, hat eine mechanische Resonanz von angenähert 1200 Hz, im Vergleich zu angenähert 800 Hz eines Standardmultimode AFM Kopfes. Die Eigenfrequenzen eines natürlichen Wegabschnitts mit der Dimension der Komponenten des Weges dies bedeutet Strukturen mit kleineren Dimensionen werden größere Eigenfrequenzen (angenommen aus dem gleichen Material) haben. Aus diesem Grund wurden andere Meßköpfe, die wesentlich kleiner als die Version der AFM-Köpfe für das MultiMode AFM hergestellt. Z. B. wurde eine erfindungsgemäße Ausführungsform aus Karbon-Kompositmaterial hergestellt, daß eine erste mechanische Resonanz von angenähert 23 KHz hat.
  • Wie bereits erwähnt wurden die Resonanzfrequenzen bestätigt über die Verwendung der Methode des Thompson Papers und/oder Verwendung der Design SpaceTM Finit Element Analyses Software on the Solid EdgeTM Computermodells, welches verwendet wurde, um die Meßköpfe zu designen.
  • Die Erfindung implementiert eine Vielzahl von anderen Verbesserungen, die ebenfalls die Resonanzfrequenzen des mechanischen Weges verbessern. Bezugnehmend auf die 7 bis 9 indexiert in einer bevorzugten Ausführungsform der Cantileverhalter 72 kinematisch direkt an die Oberseite des Scanners 78. In dieser Ausführungsform beinhaltet der Cantileverhalter 72 eine Flüssigkeitszelle 80, in welcher der Cantilever 24 vorgesehen ist. Wie in 9 gezeigt, sind drei Stahlkugellager 82, 84 und 86 auf der oberen Oberfläche des Scanners 78 befestigt und entsprechend an einem Loch 88, an einer Fuge 90 und an einer Fläche 92 auf der vorderen Oberfläche des Cantileverhalters 72 stabilisiert. Das Ergebnis ist eine direkte kinematische Befestigung, wie in 9 des US-Patent B1 Re 34,389 oder in 9 des US-Patentes 5,825,020 . Der Unterschied zu den zitierten Designs besteht darin, daß die Hülle mit dem Scanner durch eine kinematische Befestigung verbunden war und der Cantileverhalter an die Hülle mit solch einer kinematischen Befestigung oder anderen kinematischen Befestigungen wie über 3 Fugen die in Richtung des Schlitzes in Nähe des Zentrums der Befestigung mit den drei Bällen auf dem Gegenstück angebracht war. Das neue Design macht eine kinematische Befestigung zwischen dem Scanner und dem Cantilever überflüssig, so daß der Cantileverhalter 72 kinematisch direkt an den Scanner 78 indiziert.
  • Diese Anordnung erreicht einen direkteren mechanischen Weg zwischen der Probe auf der Oberseite des Scanners und dem Cantilever, vorausgesetzt ist die erhöhte Resonanzfrequenz, welche die Isolierung des Mikroskops von der Vibration unterstützt. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung, wird ein erster Rasterkraftmikroskop mit einer effektiven Resonanzfrequenz der Vibration des Cantilevers relativ zur Probe und zum fokussierten Punkt von größer als 850 Hz bereitgestellt.
  • Dieser direktere Weg wird dazu verwendet, optional einen XY-Übersetzer, der den Cantileverhalter relativ zur Probe übersetzt, um Zugang zu den unterschiedlichen Bereichen auf der Probe zu erhalten, einzubauen. Eine weiter bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist, daß der Übersetzer direkt in das Scannerbauteil angebracht werden kann, wodurch eine kinematische Halterung überflüssig wird.
  • VII. Der einfallende Strahl bildet einen 5 μm großen oder kleineren Punkt
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine einteilige asphärische Objektlinse 22 verwendet. Beispielsweise wurde erfindungsgemäß eine asphärische Linse mit einer Brennweite von 2.72 mm von Geltech hergestellt. Es sind eine Vielzahl solcher Linsen erhältlich und asphärische Linsen können auch nach Bedarf entwickelt und hergestellt werden, um die spezifischen Leistungsmerkmale zu erreichen. Diese asphärische Linse erlaubt eine hohe numerische Apartur und eine beugungsbegrenzte Leistung in einer kleinen Einheit. Sie ist klein, leicht und beständig gegenüber thermischer Drift. Um die beugungsbegrenzte Leistung zu erreichen, verhindert oder reduziert es im wesentlichen die optische Aberration die in Linsen, die üblicherweise in der AFM-Mikroskopie verwendet werden, auftritt. Ein mehrteiliges Objektlinsensystem kann ebenso verwendet werden. Mit einer Linse, deren Oberfläche sphärisch ist, können Aberrationen weiter reduziert werden durch Hinzufügen einer Blende auf der Vorderseite der Linse, um den aktiven Bereich der Linse auf einen kleineren Bereich auf der Oberfläche der Linse zu begrenzen. Im Ergebnis kann durch die Verwendung von einer oder mehreren der bereits genannten Verbesserungen ein AFM konstruiert werden, bei dem der einfallende Strahl 20 bis auf eine Breite von 5 μm oder weniger fokussiert werden kann, bevorzugterweise auf 3 μm oder weniger, z. B. auf die Breite von 3 μm und eine Länge von 10 μm. Diese Lichtpunktabmessungen wurden bestimmt und optimiert unter Verwendung des optischen Designprogramms Zemax (TM), welches die Analyse Werkzeuge zur Bestimmung des RMS Punktradius' des fokussierten Strahls zur Verfügung stellt. Die oben beanspruchte Breite ergibt sich aus der Analysefunktion "FFT PSF Cross-Section" ein Berechnungsprogramm, das die Punktverteilungsfunktion für einen fokussierten Laserpunkt berechnet unter Einbeziehung sowohl der geometrischen als auch der Berechnungseffekte. Die beanspruchten Breiten sind Gesamtbreiten an den Punkten, wo die Lichtamplitude 10% der Peakamplitude ausmacht. Die von Geltech verwendete Linse wurde für DVD-Spieler entwickelt. In sehr schwierigen Anwendungen für ein AFM-Meßkopf arbeitet sie gerade angemessen weil die optischen Eigenschaften der luftgefüllten Lücke und der Kunststoffe zwischen den Linsen und dem Fokus in dem DVD-Spieler ähnlich zu der luftgefüllten Lücke und Luft oder Flüssigkeit zwischen den Linsen und dem Fokus für unseren AFM-Meßkopf sind. Eine verbesserte Leistung kann mit einem maßgeschneiderten asphärischen Objektiv erreicht werden. Solch ein maßgeschneidertes Objektiv kann mit Zemax oder andern optischen Entwicklungsprogrammen entwickelt werden. Dieser Meßkopf wurde erfindungsgemäß als Kraftspektrometer zur Messung der Kurven Kraft versus Auslenkung an Gerüstproteinen verwendet. Mit einem Cantilever dessen Abmessung 3 μm Breite bei einer Länge von 15 μm und einer Resonanzfrequenz von 100 KHz, Q = 1,3 in Wasser, einer Federkonstanten von 20 ρN/nm wurde ein Kraftrauschen in der Größenordnung 3 ρN rms mit einem Cantilever mit einer Federkonstanten von 0,06 N/m in einer 60 kHz Bandbreite erhalten. Kraftereignisse, die so klein wie 3 ρN sind, können gemessen werden.
  • Zusätzliche Ausführungsformen.
  • In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann die Objektivlinse 22 auf die Flexur ähnlich der Laserpositionierungsflexur 46 befestigt werden und mit einer Schraube, die der Schraube 50 entspricht fokussiert werden.
  • Die Objektlinse 22 wurde beschrieben als in einem Gewinde 81 eingebaut, welches in die Linsenhalterung 83 eingefräst ist, die wiederum in den optischen Block 40 geklebt ist. Wie bereits oben beschrieben führt dies zu einem groben Brennpunkt. In die Flexur 52, welche hierin befestigt ist, kann ein ähnlicher grober Brennpunkt optional zur Verfügung gestellt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Cantilever eher als der optische Block bewegt. Alles relevantes ist justierbar, die relative Bewegung des fokussierten Punktes und der Cantilever.
  • Daher wird der Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung nicht durch die im einzelnen aufgeführten Ausführungsformen der Erfindung beschränkt. Ein auf diesem Gebiet Bewanderter wird leicht zustimmen, daß die Offenbarung der Erfindung, durch gegenwärtig existierende oder später entwickelte, die im wesentlichen die gleiche Funktion erfüllen oder im wesentlichen die gleichen Ergebnisse hervorbringen, wie die der vorliegenden Erfindung, durch die vorliegende Erfindung mit umfaßt sind, demgemäß werden diese Mittel von der Erfindung mitumfaßt.
  • Zusammenfassung
  • Eine Verbesserung eines Rasterkraftmikroskopes, ganz allgemein für Lichtstrahlmeßsysteme, aber teilweise auch anwendbar bei Rastersondenmikroskopen, die signifikante neue Eigenschaften und Vorteile zur Verfügung stellt. Insbesondere umfassen die Eigenschaften die Verwendung verschiedener Bereiche der Linsen für den einfallenden und den reflektierten Lichtstrahl, eine Flexur, die die dreidimensionale Bewegung des optischen Blockes erlaubt, die Herstellung des Gehäuses und des optischen Blockes aus einem Kompositmaterial oder Keramik, eine Anordnung der Komponenten, die es erlaubt, daß der Lichtstrahl niemals bei normalem Einfallwinkel auf eine flache Oberfläche trifft, die Resonanzfrequenz der Cantilevervibration zwischen dem Cantilever und der Probe sowie zwischen dem Cantilever und der Fokussierungslinse, die größer als 850 Hz ist, sowie die Fokussierung des einfallenden Strahls zu einem 5 μm oder kleineren Punkt, bevorzugt zu einem 3 μm oder kleineren Punkt.

Claims (90)

  1. Messkopf, der ein Gehäuse, einen Cantilever, der über einer Probe positioniert werden kann, und ein optisches System hat, um einen Lichtstrahl einer Lichtquelle als einfallenden Strahl auf der Oberfläche des Cantilevers und als reflektierten Strahl vom Cantilever zu einem optischen Dektor zu lenken, gekennzeichnet durch wenigstens eines der folgenden: (a) einer Linse zur Fokussierung des einfallenden Strahls auf den Cantilever, wobei die zentrale Achse des einfallenden Strahls im wesentlichen nicht mit der zentralen Achse der Linse zur Fokussierung abgestimmt ist; (b) die Komponenten des optischen Systems sind so orientiert, daß der Lichtstrahl, auf dem Weg von der Lichtquelle zum Detektor, niemals auf eine flache Oberfläche bei normalem Einfallwinkel trifft, außer der Lichtstrahl divergiert oder konvergiert; (c) ein integraler optischer Block ist im Gehäuse vorgesehen, der das optische System enthält, sowie eine Flexur zur Festlegung des optischen Blocks an dem Gehäuse; (d) das Gehäuse und der optische Block bestehen aus Verbundmaterial oder aus Keramik, mit den Charakteristika hoher Steifigkeit, sehr geringer thermischer Ausdehnung oder beidem; (e) die effektive Resonanzfrequenz der Vibration des mechanischen Weges zwischen dem Cantilever und einer Probe oder zwischen dem Cantilever und dem Cantilever des Linsensystems zur Fokussierung ist größer als etwa 850 Hz; und (f) der fokussierte Punkt auf dem Cantilever hat eine Größe von 5 μm oder weniger in wenigstens einer Dimension.
  2. Messkopf, in dem ein optisches System einen Lichtstrahl von der Strahlungsquelle als einfallenden Strahl durch eine Linse auf die Oberfläche eines Cantilevers lenkt und als reflektierten Strahl vom Cantilever zurück durch die Linse und dann auf einen optischen Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß der einfallende Strahl eine zentrale Achse hat, die im wesentlichen nicht mit der zentralen Achse der Fokussierungslinse abgestimmt ist.
  3. Messkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Messkopf zur Messung der Bewegung oder zur Bestimmung der Position eines nanomechanischen Objektes oder einer Eigenschaft im Nanometerbereich eines Objektes verwendet wird.
  4. Messkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Messkopf zur Messung der Bewegung oder der Position wenigstens eines Cantilevers verwendet wird.
  5. Messkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Messkopf zur Messung in der Rasterkraftmikroskopie genutzt wird.
  6. Messkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Messkopf ein force puller ist.
  7. Messkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse eine mehrteilige Linse ist.
  8. Messkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse eine asphärische Linse ist.
  9. Messkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laser oder eine Superlumineszenz Diode ist.
  10. Optisches System zur Messung der Auslenkung eines Cantilevers mit reflektierender Oberfläche, mit: – einer Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls, wobei das optische System den Lichtstrahl als einfallenden Strahl zum Cantilever leitet und einen reflektierten Strahl erzeugt; und – einem Detektor zur Detektierung des reflektierten Strahls; – Komponenten des optischen System, die in der Art angeordnet sind, daß der Lichtstrahl, auf dem Weg von der Lichtquelle zum Detektor, niemals eine flache Oberfläche bei normalem Einfall trifft, außer der Lichtstrahl divergiert oder konvergiert.
  11. Optisches System nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Spiegel zur Lenkung des reflektierten Strahls von der Linse auf den Detektor.
  12. Optisches System nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine zylindrische Linse zur weiteren Fokussierung des reflektierten Lichtstrahls.
  13. Optisches System nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Interferenz-Filter der den reflektierten Strahl zum Detektor durchläßt während Streulicht nicht durchgelassen wird.
  14. Messkopf, mit: – einem Gehäuse; – einem integralen optischen Block in dem Gehäuse zur Aufnahme eines optischen Systems; und – einer Flexur zur Festlegung des optischen Blocks an dem Gehäuse.
  15. Messkopf nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Flexur an einer ersten lateralen Stelle am optischen Block gesichert ist und am Gehäuse an einer oder mehreren weiteren lateralen Stellen, die von der ersten lateralen Stelle beabstandet sind.
  16. Messkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Flexur in Form einer flachen Platte zentrisch am optischen Block gesichert und lateral davon an dem Gehäuse gesichert ist.
  17. Messkopf nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Flexur-Platte in Form einer Scheibe an dem Gehäuse entlang ihrer Peripherie an einer Vielzahl von Stellen gesichert ist.
  18. Messkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein vertikal beweglicher fokussierender Teil und ein sphärisches Teil, das sich zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen des fokussierenden Teils und der Flexur an der ersten lateralen Stelle, die der Verbindung des fokussierenden Teils mit der Flexur dient, befindet, um die laterale Translation des optischen Blocks zu verhindern aber gleichzeitig die vertikale Bewegung des optischen Blocks und die Drehbarkeit relativ zum Gehäuse zuzulassen.
  19. Messkopf nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch einen mit dem fokussierenden Teil verbundener, davon abstehender Hebel zur Feinfokussierung der vertikalen Bewegung des optischen Blockes.
  20. Messkopf nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse mit einem Schlitz ausgebildet ist, durch den der Hebel herausragt.
  21. Messkopf nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der sphärische Teil eine Edelstahlkugel ist.
  22. Messkopf nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der gegenüberliegenden Oberflächen des fokussierenden Teils und der Flexur über eine Saphirbeschichtung mit dem Edelstahlball Kontakt haben.
  23. Rastersondenmikroskop mit einem Gehäuse und Rastersondenkomponenten in dem Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse und die Rastersondenkomponenten aus Kompositmaterial oder einer Keramik, mit hoher Steifigkeit, sehr geringer thermischer Ausdehnung oder beidem ist.
  24. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse und die Rastersondenkomponenten aus Kompositmaterial bestehen.
  25. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompositmaterial ein Elastizitätsmodul von 10 GPa oder mehr hat.
  26. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompositmaterial ein Elastizitätsmodul von 40 GPa oder mehr hat.
  27. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompositmaterial ein Elastizitätsmodul von 100 GPa oder mehr hat.
  28. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompositmaterial einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 10–5/°C hat.
  29. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompositmaterial einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 5 × 10–6/°C hat.
  30. Kompositmaterial nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Kohlenstoffverbundmaterial ist.
  31. Komposit-Material nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Kohlenstoff-Kohlenstoff Komposit ist.
  32. Komposit-Material nach Anspruch 24 dadurch gekennzeichnet, daß es ein Kohlenstoff-Epoxid-Komposit ist.
  33. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse und die Rastersondenkomponenten aus Keramik sind.
  34. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Rasterkraftmikroskop ist.
  35. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Rastertunnelmikroskop ist.
  36. Rasterkraftmikroskop, mit: – einem Gehäuse; – einem Cantilever, der über einer Probe positioniert werden kann; – einem optischen System zur Messung der Auslenkung des Cantilevers in dem ein Lichtstrahl durch eine Linse zu einem Punkt auf dem Cantilever fokussiert wird; und wobei die effektive Resonanzfrequenz der Vibration des mechanischen Weges zwischen dem Cantilever und der Probe oder zwischen dem Cantilever und der Linse zur Fokussierung größer als 850 Hz ist.
  37. Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß ein Scanner zur Bereitstellung der Probe am Cantilever; und einen mit dem Gehäuse verbundenen Cantileverhalter, der unmittelbar kinematisch an den Scanner indiziert.
  38. Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Resonanzfrequenz wenigstens eines der mechanischen Wege größer als 5 kHz ist.
  39. Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Resonanzfrequenz wenigstens eines der mechanischen Wege größer als 10 kHz ist.
  40. Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Resonanzfrequenz wenigstens eines der mechanischen Wege größer als 20 kHz ist.
  41. Rasterkraftmikroskop mit einen optischen System, das einen Lichtstrahl der Strahlungsquelle als einfallenden Strahl auf eine Oberfläche des Cantilevers lenkt und als reflektierten Strahl vom Cantilever zu einem optischen Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß der einfallende Strahl zu einem Punkt auf dem Cantilever fokussiert wird, der eine Größe von 5 μm oder weniger in wenigstens einer Dimension hat.
  42. Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß der Punkt eine Größe von 3 μm oder weniger in wenigstens einer Dimension hat.
  43. Rasterkraftmikroskop mit einem Gehäuse und einem optischen System, das einen Lichtstrahl einer Strahlungsquelle als einfallenden Strahl auf eine Oberfläche des Cantilevers lenkt und als reflektierten Strahl vom Cantilever zu einem optischen Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß ein fokussierter Punkt reduzierter Größe erhalten wird; wobei: (a) eine Linse zur Fokussierung eines einfallenden Strahls auf den Cantilever vorhanden ist, wobei der Strahl eine zentrale Achse hat, die im wesentlichen nicht mit der zentralen Achse der Fokussierungslinse abgestimmt ist; und (b) ein integraler optischer Block im Gehäuse vorhanden ist, der das optische System enthält sowie eine Flexur zur Festlegung des optischen Blocks am Gehäuse.
  44. Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten des optischen Systems so angeordnet sind, daß der Lichtstrahl, auf dem Weg von der Lichtquelle zum Detektor niemals eine flache Oberfläche bei normalem Einfallwinkel trifft, außer der Lichtstrahl divergiert oder konvergiert.
  45. Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse und der optische Block aus Kompositmaterial oder aus einer Keramik mit hoher Steifigkeit, sehr geringer thermischer Ausdehnung oder beidem bestehen.
  46. Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß der einfallende Strahl fokussiert wird, um einen Punkt auf dem Cantilever einer Größe von 5 μm oder weniger in wenigsten einer Dimension zu bilden.
  47. Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, daß der Punkt eine Größe von 3 μm oder weniger in wenigstens einer Dimension aufweist.
  48. Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, daß die effektiver Resonanzfrequenz der Vibration entweder des mechanischen Weges zwischen dem Cantilever und der Probe und/oder der mechanische Wege zwischen dem Cantilever und der fokussierenden Linse größer als 850 Hz ist.
  49. Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß für den Cantilever ein Cantileverhalter vorgesehen ist, ein Scanner zur Bereitstellung einer Probe am Cantilever und der Cantileverhalter unmittelbar kinematisch an den Scanner indiziert.
  50. Optisches System zur Messung der Bewegung oder zur Bestimmung der Position eines nanomechanischen Objektes oder einer Eigenschaft im Nanometerbereich eines Objektes durch die Lenkung eines Lichtstrahles einer Lichtquelle als einfallenden Strahl auf die Oberfläche dieses Merkmals oder Objektes und der Reflektion dieses Strahls von der Oberfläche zu einem optischen Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß es wenigstens eines der folgenden aufweist: (a) eine Linse zur Fokussierung des einfallenden Strahls auf die Oberfläche, wobei der einfallende Strahl eine zentrale Achse hat, die im wesentlichen nicht an der zentralen Achse der Linse zur Fokussierung ausgerichtet ist; (b) die Komponenten des optischen Systems so orientiert sind, daß der Lichtstrahl, auf dem Weg von der Lichtquelle zum Detektor niemals eine flache Oberfläche unter normalen Einfallwinkel trifft, außer der Lichtstrahl divergiert oder konvergiert; (c) ein integraler optischer Block im Gehäuse vorgesehen ist, der das optische System enthält sowie eine Flexur zur Festlegung des optischen Blocks am Gehäuse; und (d) der einfallende Strahl zu einem Punkt auf der Oberfläche mit einer Größe von 5 μm oder weniger in wenigstens einer Dimension fokussiert wird.
  51. Optisches System zur Messung der Bewegung eines Cantilevers durch Lenkung eines Lichtstrahls einer Strahlungsquelle als einfallenden Strahl auf die Cantileveroberfläche und als reflektierten Strahl von der Cantileveroberfläche zu einem optischen Detektor, mit einer Linse, die zwischen der Lichtquelle und der Oberfläche vorgesehen ist, wobei ein erster Bereich der Linse auf dem Weg des einfallenden Strahls vorgesehen ist und ein zweiter Bereich der Linse auf dem Weg des reflektierten Strahls vorgesehen ist, so daß sich wenigstens die wesentlichen Anteile des einfallenden und des reflektierten Strahls im wesentlichen nicht in der Linse überlappen.
  52. Optisches System zur Detektierung eines Lichtstrahls der von der Cantileveroberfläche reflektiert wird, mit: – einer Lichtquelle zur Erzeugung des Lichtstrahls, wobei das optische System welches den Lichtstrahl als einfallenden Strahl auf die Oberfläche lenkt, einen reflektierten Strahl erzeugt; und – einem Detektor zur Detektierung des reflektierten Strahls; wobei die Komponenten des optischen Systems derart angeordnet sind, daß der Lichtstrahl auf dem Weg von der Lichtquelle vom Detektor niemals eine flache Oberfläche bei normalem Einfallwinkel trifft, außer der Lichtstrahl divergiert oder konvergiert.
  53. Optisches System zur Messung der Bewegung oder zur Bestimmung der Position eines nanomechanischen Objektes oder einer Eigenschaft im Nanometerbereich eines Objektes mit: – einem Gehäuse; – einem integralen optischen Block in dem Gehäuse; und – einer Flexur zur Montage des optischen Blocks am Gehäuse.
  54. Optisches System nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, daß die Flexur an einer ersten lateralen Stelle an dem optischen Block und am Gehäuse an einer oder mehreren weiteren lateralen Stellen gesichert ist, die von der ersten lateralen Stelle beabstandet sind.
  55. Optisches System nach Anspruch 54, dadurch gekennzeichnet, daß die Flexur in Form einer flachen Platte zentrisch am optischen Block gesichert ist und lateral davon an dem Gehäuse gesichert ist.
  56. Optisches System nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, daß die Flexur-Platte in Form einer Scheibe an dem Gehäuse entlang ihrer Peripherie an einer Vielzahl von Stellen gesichert ist.
  57. Optisches System nach Anspruch 54, gekennzeichnet durch einen vertikal beweglichen Fokussierungsteil und einen sphärischen Teil, der sich zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen des fokussierenden Teils und der Flexur, an der ersten lateralen Stelle, die der Verbindung des fokussierenden Teil mit der Flexur dient, befindet, um die laterale Translation des optischen Blockes zu verhindern aber gleichzeitig die vertikale Bewegung des optischen Blocks und die Drehbarkeit relativ zum Gehäuse zuzulassen.
  58. Optisches System nach Anspruch 57, dadurch gekennzeichnet, daß der sphärische Teil eine Edelstahlkugel ist und wenigstens eine der gegenüberliegenden Oberflächen des fokussierenden Teils und der Flexur über eine Safirbeschichtung mit dem Edelstahlball Kontakt haben.
  59. Verfahren für den Betrieb eines Rasterkraftmikroskops mit einem Gehäuse und einem optischen System, um einen Lichtstrahl einer Strahlungsquelle als einfallenden Strahl auf die Oberfläche eines Cantilevers und als reflektierten Strahl vom Cantilever zu einem optischen Detektor zu lenken, mit wenigstens einem der folgenden Schritte: (a) Führen des einfallenden Strahls durch einen ersten Bereich der Linse zur Fokussierung des einfallenden Strahls auf den Cantilever und Führen des reflektierten Strahls durch einen zweiten Bereich der Linse um den reflektierten Strahl zum Detektor zu führen, wobei der einfallende Strahl eine zentrale Achse hat, die im wesentlichen nicht an der zentralen Achse der Linse zur Fokussierung ausgerichtet ist; (b) Anordnen der Komponenten des optischen Systems, so daß der Lichtstrahl auf dem Weg von der Lichtquelle zum Detektor niemals eine flache Oberfläche bei normalen Einfall trifft, außer der Lichtstrahl divergiert oder konvergiert; (c) Vorsehen eines integralen optischen Blocks im Gehäuse, der das optische System enthält sowie die Festlegung des optischen Blocks am Gehäuse durch Verwendung einer Flexur; (d) Vorsehen eines Cantileverhalters für den Cantilever und einen Scanner zur Bereitstellung der Probe am Cantilever; und die unmittelbare kinematische Festlegung des Cantileverhalters am Scanner, wobei die effektive Resonanzfrequenz der Vibration des mechanischen Weges zwischen dem Cantilever und der Probe und/oder dem mechanischen Weg zwischen dem Cantilever und der Linse zur Fokussierung größer als 850 Hz ist; und (e) Fokussierung des Lichtstrahls, um einen Punkt auf dem Cantilever zu bilden, der eine Größe von 5 μm oder weniger in wenigstens einer Dimension hat.
  60. Verfahren zum Betrieb eines Rasterkraftmikroskops mit einem optischen System, welches wenigstens eine Fokussierungslinse zur Lenkung eines Lichtstrahls von einer Lichtquelle als einfallenden Strahl auf die Oberfläche des Cantilevers und als reflektierten Strahl vom Cantilever zu einem optischen Detektor umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Achse des einfallenden Strahls so angeordnet ist, daß sie im wesentlichen nicht an der zentralen Achse der fokussierende Linse ausgerichtet ist.
  61. Verfahren nach Anspruch 60, dadurch gekennzeichnet, daß der einfallende Strahl einen ersten Bereich der Linse passiert, die den einfallenden Strahl auf den Cantilever fokussiert und, daß der reflektierte Strahl einen zweiten Bereich der Linse passiert um den reflektierten Strahl auf den Detektor zu lenken, wobei sich der einfallende und der reflektierte Strahl im wesentlichen nicht in der Linse überlappen.
  62. Verfahren nach Anspruch 60, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse so geschnitten ist, so daß der reflektierte Strahl nicht durch die Linse passiert.
  63. Verfahren nach Anspruch 60, dadurch gekennzeichnet, daß der reflektierte Strahl durch einen Interferenzfilter geführt wird.
  64. Verfahren nach Anspruch 60, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiegel oder Prisma auf dem Weg des reflektierten Lichtstrahls vorhanden ist, um den reflektierten Lichtstrahl zum Detektor zu leiten.
  65. Verfahren zum Betrieb eines Rasterkraftmikroskops mit einem optischen System mit wenigstens einer Fokussierungslinse, um den Lichtstrahl von der Lichtquelle als einfallenden Strahl auf die Oberfläche eines Cantilevers zu lenken und als reflektierten Strahl vom Cantilever zu einem optischen Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Achse des einfallenden Lichtstrahls im wesentlichen auf die zentrale Achse der Linse abgestimmt ist und ein Spiegel oder Strahlteiler im Strahlengang des reflektierten Lichtstrahls angeordnet ist, um den Weg des einfallenden Strahls und des reflektierten Strahls zu separieren, so daß der Spiegel oder der Strahlenteiler wenigstens einen Teil des einfallenden Strahls teilt.
  66. Verfahren zum Betrieb eines Rasterkraftmikroskops mit einem Gehäuse und einem optischen System, um den Lichtstrahl einer Strahlungsquelle als einfallenden Strahl auf die Oberfläche eines Cantilevers und als reflektierten Strahl vom Cantilever zu einem optischen Detektor zu lenken, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten des optischen Systems so angeordnet sind, daß der Lichtstrahl auf dem Weg von der Lichtquelle zum Detektor niemals eine flache Oberfläche bei normalem Einfallwinkel trifft, außer wenn der Lichtstrahl divergiert oder konvergiert.
  67. Verfahren zum Betrieb eines Rasterkraftmikroskops mit einem Gehäuse und einem optischen System, um den Lichtstrahl einer Strahlungsquelle als einfallenden Strahl auf die Oberfläche eines Cantilevers und als reflektierten Strahl vom Cantilever zu einem optischen Detektor zu lenken, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System in einem integralen optischen Block in dem Gehäuse und der optische Block über eine Flexur an das Gehäuse angeordnet ist.
  68. Verfahren nach Anspruch 67, wobei die Anordnung des optischen Blocks am Gehäuse die Sicherung der Flexur an dem optischen Block an einer ersten lateralen Stelle und die Sicherung der Flexur am Gehäuse an wenigstens einer oder mehreren weiteren lateralen Stellen, die von der ersten lateralen Stelle beabstandet sind umfaßt.
  69. Verfahren zum Betrieb eines Rasterkraftmikroskops mit einem Gehäuse und einem optischen System, um den Lichtstrahl einer Strahlungsquelle als einfallenden Strahl auf die Oberfläche eines Cantilevers und als reflektierten Strahl vom Cantilever zu einem optischen Detektor zu lenken, dadurch gekennzeichnet, daß ein Cantileverhalter für den Cantilever und ein Scanner zur Bereitstellung einer Probe an dem Cantilever vorgesehen ist; und daß der Cantileverhalter unmittelbar kinematisch am Scanner angeordnet ist, wobei die effektive Resonanzfrequenz der Vibration des mechanischen Weges zwischen dem Cantilever und der Probe und/oder des mechanischen Weges zwischen dem Cantilever und dem Detektionssystems größer als 850 Hz ist.
  70. Verfahren zum Betrieb eines Rasterkraftmikroskops mit einem Gehäuse und einem optischen System, um den Lichtstrahl einer Strahlungsquelle als einfallenden Strahl auf die Oberfläche eines Cantilevers und als reflektierten Strahl vom Cantilever zu einem optischen Detektor zu lenken, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl fokussiert wird, um einen Punkt auf dem Cantilever zu bilden, der eine Größe von 5 μm oder weniger in wenigstens einer Dimension hat.
  71. Verfahren nach Anspruch 70, dadurch gekennzeichnet, daß der Punkt eine Größe von 3 μm oder weniger in wenigstens einer Dimension hat.
  72. Verfahren um einen Lichtstrahl als einfallenden Strahl auf den Meßfühler eines Rastersondenmikroskops zu lenken und als reflektierten Strahl vom Meßfühler zu einem optischen Detektor in einem optischen System in einem Gehäuse zu lenken, mit wenigstens einem der folgenden Schritte: (a) Führen des einfallenden Lichtstrahls durch einen ersten Bereich einer Linse um den einfallenden Lichtstrahl auf einer Oberfläche zu fokussieren und Führen des reflektierten Strahls durch einen zweiten Bereich der Linse um den reflektierten Strahl auf den Detektor zu lenken, wobei sich der einfallende und der reflektierte Strahl sich im wesentlichen nicht in der Linse überlappen; (b) Anbringen der Komponenten des optischen Systems, so daß der Lichtstrahl auf dem Weg von der Lichtquelle zum Detektor niemals eine flache Oberfläche bei normalem Einfallwinkel trifft, außer der Lichtstrahl divergiert oder konvergiert; (c) Vorsehen des optischen Systems in einem integralen optischen Block im Gehäuse und Festlegung des optischen Blocks am Gehäuse unter Verwendung einer Flexur; und (d) Fokussierung des Lichtstrahls, um einen Punkt auf der Oberfläche zu bilden, der eine Größe von 5 μm oder weniger in wenigstens einer Dimension hat.
  73. Verfahren um einen Lichtstrahl als einfallenden Strahl auf die Cantileveroberfläche zu lenken und als reflektierten Strahl von der Cantileveroberfläche zum optischen Detektor, mit: – Führen des einfallenden Strahl durch einen ersten Bereich der Linse, um den einfallenden Strahl auf der Oberfläche zu fokussieren und – Führen des reflektierten Strahls durch einen zweiten Bereich der Linse, um den reflektierten Strahl zum Detektor zu lenken, wobei sich der einfallende und der reflektierte Strahl sich im wesentlichen nicht in der Linse überlappen.
  74. Verfahren, um einen Lichtstrahl zu einem optischen Detektor an einem optischen System zur Messung der Bewegung oder der Position eines nanomechanischen Objektes oder eines Merkmals in Nanometerbereich eines Objektes zu lenken, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten des optischen Systems so angebracht sind, daß der Lichtstrahl auf dem Weg von der Lichtquelle zum Detektor niemals ein flache Oberfläche bei normalen Einfallwinkel trifft, außer der Lichtstrahl divergiert oder konvergiert.
  75. Verfahren um einen Lichtstrahl als einfallenden Strahl auf die Oberfläche und als reflektierten Strahl von der Oberfläche zu einem optischen Detektor in einem optischen System, welches in einem Gehäuse vorhanden ist, zu lenken, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System in einem integralen optischen Block in dem Gehäuse durch Verwendung einer Flexur eingebaut ist.
  76. Verfahren um einen Lichtstrahl als einfallenden Strahl auf eine Oberfläche und als reflektierten Strahl von der Oberfläche zu einem optischen Detektor in einem optischen System, welches in einem Gehäuse vorgesehen ist, zu lenken, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl fokussiert wird, so daß er einen Punkt mit einer Größe von 5 μm oder weniger in wenigstens einer Dimension auf der Oberfläche bildet.
  77. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Punkt eine Größe von 3 μm oder weniger in einer Dimension hat.
  78. Verfahren zum Betrieb eines Meßkopfes zur Messung der Bewegung oder Position eines nanomechanischen Objektes oder eines Merkmals im Nanometerbereich eines Objektes, dadurch gekennzeichnet, daß ein mechanischer Weg zwischen dem Detektionssystem und dem nanomechanischen Objekt oder dem Merkmal im Nanometerbereich des Objektes konstruiert wird, so daß die Resonanzfrequenz der Vibration des mechanischen Weges größer als 850 Hz ist.
  79. Verfahren zum Betrieb eines Meßkopfes zur Messung der Interaktion zwischen einem nanomechanischen Objekt oder einem Merkmal im Nanometerbereich eines Objektes und einer Probe, dadurch gekennzeichnet, daß ein mechanischer Weg zwischen der Probe und dem nanomechanischen Objekt konstruiert wird, so daß die Resonanzfrequenz der Vibration des mechanischen Weges größer als 850 Hz ist.
  80. Rasterkraftmikroskop, wobei ein optisches System den Lichtstrahl einer Strahlungsquelle als einfallenden Strahl durch eine fokussierende Linse auf die Oberfläche des Cantilevers lenkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungslinse wenigstens eine asphärische optische Oberfläche hat.
  81. Rasterkraftmikroskop, wobei ein optisches System den Lichtstrahl einer Strahlungsquelle auf die Oberfläche und den reflektierten Lichtstrahl vom Cantilever zum Detektor lenkt, dadurch gekennzeichnet, daß der reflektierte Strahl auf dem Weg zum Detektor einen Interferenzfilter passiert, während dieser das Streulicht nicht durchläßt.
  82. Verbesserter Scanner für ein Rastersondenmikroskop mit einem Gehäuse und einem oder mehreren piezoelektrischen Translationsbausteinen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus Kompositmaterial besteht.
  83. Scanner nach Anspruch 82, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompositmaterial ein Kohlenstoff-Kohlenstoff-Komposit ist.
  84. Meßkopf zur Messung der Bewegung oder Position eines nanomechanischen Objektes oder eines Merkmals im Nanometerbereich eines Objektes mit einem optischen System, welches wenigstens eine fokussierende Linse enthält, die einen Lichtstrahl von einer Lichtquelle auf die Oberfläche und einen reflektierten Lichtstrahl des Objektes zu einem Detektor lenkt, dadurch gekennzeichnet, daß der integrale optische Block alle Komponenten zwischen der Lichtquelle und der fokussierenden Linse sowie die diese umgebenden enthält.
  85. Meßkopf nach Anspruch 84, dadurch gekennzeichnet, daß der integrale optische Block aus einem Material gebildet ist, das eine hohe Steifigkeit, eine sehr geringe thermische Ausdehnung oder beides aufweist.
  86. Meßkopf nach Anspruch 84, dadurch gekennzeichnet, daß der integrale optische Block aus einem Material mit einer Dichte kleiner als 2.5 g/cm3 besteht.
  87. Meßkopf nach Anspruch 84, dadurch gekennzeichnet, daß der integrale optische Block aus einem Material mit einer Dichte kleiner als 2.3 g/cm3 besteht.
  88. Meßkopf nach Anspruch 84, dadurch gekennzeichnet, daß der integrale optische Block aus einem Material mit einer Dichte kleiner als 1.5 g/cm3 besteht.
  89. Meßkopf nach Anspruch 84, dadurch gekennzeichnet, daß der integrale optischer Block mit einem Gas gefüllt und versiegelt besteht.
  90. Meßkopf nach Anspruch 89, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas einen stabilen Brechungsindex bei wechselnden Temperaturen hat.
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WO (1) WO2003009305A2 (de)

Families Citing this family (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BE1014137A6 (nl) * 2001-04-24 2003-05-06 Krypton Electronic Eng Nv Werkwijze en inrichting voor de verificatie en identificatie van een meetinrichting.
US6677567B2 (en) * 2002-02-15 2004-01-13 Psia Corporation Scanning probe microscope with improved scan accuracy, scan speed, and optical vision
US7309446B1 (en) 2004-02-25 2007-12-18 Metadigm Llc Methods of manufacturing diamond capsules
US7633691B2 (en) * 2004-06-07 2009-12-15 Raytheon Company Optical mounting for high-g environment
FR2872909B1 (fr) * 2004-07-07 2008-11-14 Centre Nat Rech Scient Cnrse Procede et systeme de detection optique de nano-objets dans un milieu refringent
US8166567B2 (en) 2007-03-16 2012-04-24 Bruker Nano, Inc. Fast-scanning SPM scanner and method of operating same
US7607344B2 (en) * 2007-04-23 2009-10-27 Frederick Sachs Factory-alignable compact cantilever probe
DE102007063066A1 (de) * 2007-05-31 2008-12-24 Lpi Light Power Instruments Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Charakterisierung einer Probe mit zwei oder mehr optischen Fallen
US7770231B2 (en) 2007-08-02 2010-08-03 Veeco Instruments, Inc. Fast-scanning SPM and method of operating same
WO2010044869A1 (en) * 2008-10-14 2010-04-22 Proksch, Roger Modular atomic force microscope
EP2548033B1 (de) * 2010-03-19 2021-03-03 Bruker Nano, Inc. Rastersondenmikroskop mit geringer Temperaturabweichung und Verfahren zur Minimisierung der Temperaturabweichung in einem Rasterkraftmikroskop
US8372495B2 (en) 2010-05-26 2013-02-12 Apple Inc. Electronic device enclosure using sandwich construction
WO2012009580A1 (en) * 2010-07-14 2012-01-19 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Force-clamp spectrometer and methods of use
US9120272B2 (en) * 2010-07-22 2015-09-01 Apple Inc. Smooth composite structure
US9011623B2 (en) 2011-03-03 2015-04-21 Apple Inc. Composite enclosure
KR101734628B1 (ko) * 2011-09-09 2017-05-11 벤타나 메디컬 시스템즈, 인코포레이티드 에러 신호를 이용한 포커스 및 이미징 시스템 및 기법들
JP5985661B2 (ja) 2012-02-15 2016-09-06 アップル インコーポレイテッド 走査深度エンジン
US8817240B2 (en) 2012-05-25 2014-08-26 Mitutoyo Corporation Interchangeable optics configuration for a chromatic range sensor optical pen
US8736817B2 (en) 2012-05-25 2014-05-27 Mitutoyo Corporation Interchangeable chromatic range sensor probe for a coordinate measuring machine
US10407955B2 (en) 2013-03-13 2019-09-10 Apple Inc. Stiff fabric
WO2014203139A1 (en) * 2013-06-17 2014-12-24 Primesense Ltd. Modular optics for scanning engine
US9068822B2 (en) 2013-07-03 2015-06-30 Mitutoyo Corporation Chromatic range sensor probe detachment sensor
US11518138B2 (en) 2013-12-20 2022-12-06 Apple Inc. Using woven fibers to increase tensile strength and for securing attachment mechanisms
WO2016025751A1 (en) * 2014-08-13 2016-02-18 Gareau Daniel Summer Line-scanning, sample-scanning, multimodal confocal microscope
US11112426B2 (en) 2015-05-11 2021-09-07 Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) Method and device of using a scanning probe microscope
TWI708948B (zh) * 2015-08-18 2020-11-01 荷蘭商荷蘭Tno自然科學組織公司 於動態模式原子力顯微鏡之成像期間確定交互作用力
US10864686B2 (en) 2017-09-25 2020-12-15 Apple Inc. Continuous carbon fiber winding for thin structural ribs
CN108931298B (zh) * 2018-08-31 2020-10-20 中国科学院光电研究院 一种紧凑型高通量高稳定性干涉成像光谱仪
CN109884343B (zh) * 2019-02-22 2023-12-19 浙江中医药大学 一种用于透射电镜直投图像观察的挡光装置
US11002759B2 (en) 2019-09-10 2021-05-11 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army High-sensitivity, low thermal deflection, stress-matched atomic force microscopy and scanning thermal microscopy probes
WO2021057200A1 (zh) * 2019-09-24 2021-04-01 深圳市真迈生物科技有限公司 减振结构、检测系统和测序系统
CN113843509B (zh) * 2021-09-13 2024-06-04 武汉先同科技有限公司 集成式手持激光打标机

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4800274A (en) 1987-02-02 1989-01-24 The Regents Of The University Of California High resolution atomic force microscope
US4935634A (en) 1989-03-13 1990-06-19 The Regents Of The University Of California Atomic force microscope with optional replaceable fluid cell
JPH02281103A (ja) * 1989-04-24 1990-11-16 Olympus Optical Co Ltd 原子間力顕微鏡
US5260824A (en) * 1989-04-24 1993-11-09 Olympus Optical Co., Ltd. Atomic force microscope
US5144833A (en) * 1990-09-27 1992-09-08 International Business Machines Corporation Atomic force microscopy
JPH0540005A (ja) * 1991-08-08 1993-02-19 Nikon Corp 走査型プローブ顕微鏡
JP2598851B2 (ja) * 1992-01-23 1997-04-09 松下電器産業株式会社 位置決め装置
JPH09145313A (ja) * 1995-11-27 1997-06-06 Nikon Corp 光てこ式変位検出器
US5825020A (en) * 1996-09-06 1998-10-20 The Regents Of The University Of California Atomic force microscope for generating a small incident beam spot
JP3497734B2 (ja) * 1997-07-24 2004-02-16 オリンパス株式会社 走査型プローブ顕微鏡
US5874669A (en) * 1997-10-16 1999-02-23 Raymax Technology, Inc. Scanning force microscope with removable probe illuminator assembly
JP2000146990A (ja) * 1998-11-06 2000-05-26 Shimadzu Corp 走査型プローブ顕微鏡

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