TWI531796B - 原子力顯微鏡乾燥系統及原子力顯微鏡 - Google Patents

原子力顯微鏡乾燥系統及原子力顯微鏡 Download PDF

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    • G01Q30/08—Means for establishing or regulating a desired environmental condition within a sample chamber
    • G01Q30/12—Fluid environment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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Description

原子力顯微鏡乾燥系統及原子力顯微鏡
本發明關於一種原子力顯微鏡乾燥系統及原子力顯微鏡，尤其關於一種可外加架構於原子力顯微鏡中的原子力顯微鏡乾燥系統；以及包含前述原子力顯微鏡乾燥系統的原子力顯微鏡。
在現今的掃描探針顯微鏡(Scanning probe microscope,SPM)中，探針與試片之間的作用力通常為多種作用力的總和，其中有一項為水膜虹吸力，此為在較潮溼國家如台灣最常見的作用力，因潮濕而附著於探針或試片上的一層約奈米等級(~5nm)的水膜所造成的吸引力，對於在掃描頭的引力量測上所造成非常大的影響與擾動。另一方面，當探針在掃描脆弱試片時也會因水膜虹吸力吸引探針，而過重的壓擠試體而造成試體的損毀而無法清楚的成像。
水膜虹吸力為現今許多掃描探針顯微鏡之操作者所碰到的一個所需克服的難題。一般而論，在靜電力或磁力的量測上，為了排除水膜作用力擾動，而使原子力顯微鏡置於氮氣箱或防潮箱內，以維持實驗環境保持在一固定濕度或高乾躁環境；而在量測生物分子間作用力、凡德瓦力的量測或脆弱試體的掃描上，則是直接把探針與試片浸至於液態環境中以去除水膜作用力所造成的影響。
圖1顯示習知之原子力顯微鏡的示意圖。如圖1所示，其為將原子力顯微鏡置於氮氣箱或防潮箱的示例。習知原子力顯微鏡300包含一原子力顯微鏡掃描頭裝置310、一平台320、及一樣本支撐基板340。原子力顯微鏡掃描頭裝置310包含一掃描頭311。掃描頭311用於與試片210上的一目標物K接觸。而且，習知原子力顯微鏡300被置於一氮氣箱或防潮箱350內，氮氣箱350通入有氮氣來保持氮氣箱350內的乾燥度，而防潮箱350是透過溼氣控制來保持防潮箱350內的乾燥度。
然而，現階段這兩種常見的方法皆有其缺點，一個是適用於掃描探針顯微鏡系統大小的氮氣箱或防潮箱350，尚須兼顧使用者於操作儀器時的不便與線路架設，是故一組合式的SPM專用環境控制的氮氣箱或防潮箱一套動輒數十萬且體積龐大不易操作。而另一方面，若探知針於液態環境中操作，也會碰到如液體汙染或是更換試液不易等問題。
本提案因而提供一種更為新穎、方便且廉價以去除水膜作用力的機構設計。
依據本發明提供一種原子力顯微鏡乾燥系統及原子力顯微鏡。於一實施例中，提供一種透過通入乾燥用氣體來達到乾燥功能的原子力顯微鏡乾燥系統及原子力顯微鏡。於一實施例中，提供一種利用彈性體來達成稍具氣密功能的空間，並通入有乾燥用氣體來達到乾燥功能的原子力顯微鏡乾燥系統及原子力顯微鏡。
依據本發明一實施例的原子力顯微鏡包含一原子力顯微鏡 掃描頭裝置、一平台、一彈性體、一樣本支撐基板、一進氣管及一出氣管。原子力顯微鏡掃描頭裝置用以掃描一試片。彈性體具有彈性，且位於原子力顯微鏡掃描頭裝置及平台之間以形成一容置空間。樣本支撐基板位於容置空間內用以放置試片。進氣管從容置空間外部延伸至容置空間內部，具有一進氣口連通於容置空間，藉以將一乾燥用氣體通入容置空間內。出氣管從容置空間內部延伸至容置空間外部，具有一出氣口連通於容置空間，藉以將乾燥用氣體排出容置空間外。
於一實施例中，通入容置空間的進氣量大致等於排出容置空間的出氣量，藉以使容置空間保持在恒壓狀態。
於一實施例中，使容置空間內的壓力大於外部的壓力，藉以使水氣不易從外部進入容置空間內部。
於一實施例中，使進氣管的進氣口的位置及出氣管的出氣口的位置，互相對向且皆位於容置空間內。較佳地，更使進氣口的口徑及出氣口的口徑，大致相等，藉以使容置空間內的氣流較為平穩。
於一實施例中，使該樣本支撐基板之表面的高度，高於該進氣口及該出氣口的位置，藉以使試片不會受到過大氣流影響，且使掃描頭較不會被氣流干擾，進而影響量測結果。
於一實施例中，樣本支撐基板界定一放置區域，用以放置試片，而且進氣口及出氣口的位置沒有位於放置區域的正下方，藉以使掃描頭較不會被氣流干擾，進而影響量測結果。
於一實施例中，原子力顯微鏡掃描頭裝置及平台對彈性體施加壓力，使彈性體的上下表面分別抵住且貼合於原子力顯微鏡掃描頭裝置 及平台，藉以使容置空間稍具氣密功能，亦即氣體不易流通但又沒有完全氣密的空間。
依據本發明一實施例的原子力顯微鏡乾燥系統，其用以裝在一適於掃描一試片的原子力顯微鏡上。原子力顯微鏡乾燥系統包含一彈性體、一樣本支撐基板、一進氣管及一出氣管。彈性體具有彈性，且位於原子力顯微鏡的一原子力顯微鏡掃描頭裝置及原子力顯微鏡的一平台之間，以形成一容置空間。樣本支撐基板位於容置空間內，用以放置試片。進氣管從容置空間外部延伸至容置空間內部，具有一進氣口連通於容置空間，藉以將一乾燥用氣體通入容置空間內。出氣管從容置空間內部延伸至容置空間外部，具有一出氣口連通於容置空間，藉以將乾燥用氣體排出容置空間外。
依據本發明一實施例，能夠提供一種方便且廉價，具有去除水膜作用力的機構設計，能夠製造簡便且價格低之原子力顯微鏡乾燥系統及原子力顯微鏡。
100‧‧‧原子力顯微鏡
110‧‧‧原子力顯微鏡掃描頭裝置
111‧‧‧掃描頭
120‧‧‧平台
130‧‧‧彈性體
131‧‧‧同心環
132‧‧‧同心環
140‧‧‧樣本支撐基板
141‧‧‧放置區域
150‧‧‧進氣管
155‧‧‧出氣口
160‧‧‧出氣管
165‧‧‧進氣口
210‧‧‧試片
220‧‧‧容置空間
300‧‧‧原子力顯微鏡
310‧‧‧原子力顯微鏡掃描頭裝置
311‧‧‧掃描頭
320‧‧‧平台
340‧‧‧樣本支撐基板
350‧‧‧氮氣箱或防潮箱
圖1顯示習知之原子力顯微鏡的示意圖。
圖2顯示本發明一實施例之具有乾燥功能的原子力顯微鏡的示意圖。
圖3顯示圖2實施例之容置空間內的俯視圖。
圖4顯示本發明一實施例之彈性體之俯視圖及剖面圖。
圖2顯示本發明一實施例之具有乾燥功能的原子力顯微鏡。如圖2所示依據本發明一實施例的具有乾燥功能的原子力顯微鏡100包含一原子力顯微鏡掃描頭裝置110、一平台120、一彈性體130、一樣本支撐基板140、一進氣管150及一出氣管160。原子力顯微鏡掃描頭裝置110用以掃描一試片210。更具體而言，原子力顯微鏡掃描頭裝置110包含一掃描頭111。掃描頭111用於與試片210上的一目標物K接觸，且目標物K可為生物活體分子所實現，例如：如肌凝蛋白(Myosin)、或膜蛋白(Membrane protein)等，但目標物K不應受限於生物活體分子，亦可為非生物活體分子所實現。
彈性體130具有彈性，且位於原子力顯微鏡掃描頭裝置110及平台120之間以形成一容置空間220，其更具體說明將於後述。
樣本支撐基板140位於容置空間220內用以放置試片210。進氣管150從容置空間220外部延伸至容置空間220內部，具有一進氣口155連通於容置空間220，藉以將一乾燥用氣體通入容置空間220內。於一實施例中，進氣管150的另一端連接於一裝有乾燥用氣體的氣筒(未圖示)。氣筒內的乾燥用氣體能夠透過該進氣管150及進氣口155而通入於容置空間220中。出氣管150從容置空間220內部延伸至容置空間220外部，具有一出氣口165連通於容置空間220，藉以將乾燥用氣體排出容置空間220外。
於一實施例中，通入容置空間220的進氣量大致等於排出容置空間220的出氣量，藉以使容置空間220保持在恒壓狀態。較佳的情況是，還使容置空間220內的壓力大於外部的壓力，如此能夠使水氣不易從外部進入容置空間220內部。
此外，由於容置空間220內流通有氣流，可能會干擾到掃描頭111，且給予掃描頭111額外的作用力。為了克服前述的問題，於一實施例中，還可以使進氣管150的進氣口155的位置及出氣管160的出氣口165的位置，互相對向且皆位於容置空間220內。在進氣口155與出氣口165互相對向的情況下，氣流從進氣口155至出氣口165的阻礙較小，在容置空間220內產生擾流的機率也較小，因此氣流對掃描頭111干擾也較小。較佳的情況是，更使進氣口165的口徑及出氣口155的口徑，大致相等，藉以使容置空間220內的氣流更為平穩。
於一實施例中，使樣本支撐基板140之表面的高度，高於進氣口155及出氣口165的位置。由於氣流的流動位於試片210的下方，能夠有效利用高低落差以避開乾燥用氣體氣流(例如氮氣)，以保持掃描頭111之懸臂樑穩定，因此能夠更進一步使掃描頭111之懸臂樑較不會被氣流干擾，進而得到較精確的測量結果。
圖3顯示圖2實施例之容置空間內的俯視圖。如圖3所示，樣本支撐基板140界定一放置區域141，用以放置試片210，而且進氣口155及出氣口165的位置偏離放置區域141的正下方，亦即沒有位於放置區域141的正下方，藉以使掃描頭111較不會被氣流干擾，進而影響量測結果。
圖4顯示本發明一實施例之彈性體130之俯視圖及剖面圖。彈性體130是由兩個同心環131及132所構成，其中同心環131的直徑及體積小於同心環132的直徑及體積，而且同心環132的高度高於同心環131的高度。藉由如此之設計，能夠使彈性體130、原子力顯微鏡掃描頭裝置110及平台120所界定的空間，分成兩個部分。容置空間220的第一部分由同心環131所 構成，用以容置原子力顯微鏡掃描頭裝置110的一掃描頭111。而且於容置空間220的第二部分由同心環132所構成，用以容置樣本支撐基板140及試片210。如此之設計，由於第一部分的空間較小，因此較沒有干擾氣流的產生，能夠使掃描頭111較不會被氣流干擾，進而增加量測的準確度。
於一實施例中，可以透過使原子力顯微鏡掃描頭裝置110及平台120對彈性體130施加壓力，使彈性體130的上下表面分別抵住且貼合於原子力顯微鏡掃描頭裝置110及平台120。由於彈性體130的上下表面分別抵住且貼合於原子力顯微鏡掃描頭裝置110及平台120，使空氣不易從彈性體130的上下表面與原子力顯微鏡掃描頭裝置110及平台120間的間隙流出。依據此設計，能夠使容置空間220稍具氣密功能，亦即氣體不易流通但又沒有完全氣密的空間。由於容置空間220還不到完全氣密的程度，因此再透過使一乾燥用氣體通入容置空間220內，藉以帶走容置空間220內的水氣，同時保持容置空間220內處於乾燥狀態。
於一實施例中，可以僅是將進氣管150及出氣管160放在平台120上後，再將彈性體130放置於進氣管150及出氣管160上，由於彈性體130具有彈性，因此當原子力顯微鏡掃描頭裝置110及平台120對彈性體130施加壓力，進氣管150及出氣管160亦會於彈性體130緊密貼合，而讓容置空間220形成稍具氣密的空間。
於一實施例中，亦可以於彈性體130上形成兩個開口，並使進氣管150及出氣管160分別插入於該些開口中，進氣管150及出氣管160的外周緊密貼合於彈性體130界定該些開口的壁面上，而讓容置空間220形成稍具氣密的空間。於一實施例中，彈性體130可以為一O-ring。
此外，於本發明中沒有限制乾燥用氣體的種類，一實施例中乾燥用氣體可以為一惰性氣體。更具體而言，亦可以為氮氣。
以下進行實驗，證實依本發明一實施例之原子力顯微鏡之乾燥功能。把一溫濕度計放置於彈性體130內，並使容置空間220內通入有氮氣排除水氣，再於不同時間點記錄溫濕度計上所顯示之數值。在未開氮氣前，彈性體130內的溼度為RH=52%；而於開氮氣後，彈性體130內的溼度RH降至17%；經過時間的推移彈性體130內的溼度RH降至小於10%；直到最後彈性體130內的溼度RH降至小於5%，此時由於已接近溫濕度計之量測的極限而無法再檢測。
依據本發明一實施例，由於不是使容置空間220形成完全氣密的空間，因此能夠提供一種方便且廉價，具有去除水膜作用力的機構設計，能夠製造簡便且價格低之包含乾燥功能的原子力顯微鏡。此外，由於本發明一實施例所提供之乾燥氣流系統的乾燥裝置，善用廉價，體積微小且簡潔之O-ring的彈性體130。使得彈性體130、進氣管150及出氣管160以及氮氣瓶所組合成的乾燥裝置，具有架設快速，輕巧方便的優點，且已證實可於工作範圍內有效控制相對濕度，去除水膜虹吸力的影響，適合作為具有商業效益的SPM附加配件。
100‧‧‧原子力顯微鏡掃
110‧‧‧原子力顯微鏡掃描頭裝置
111‧‧‧掃描頭
120‧‧‧平台
130‧‧‧彈性體
140‧‧‧樣本支撐基板
150‧‧‧氣管
155‧‧‧進氣口
160‧‧‧出氣管
165‧‧‧出氣口
210‧‧‧試片
220‧‧‧容置空間

Claims (10)

  1. 一種具有乾燥功能的原子力顯微鏡，其包含：一原子力顯微鏡掃描頭裝置，用以掃描一試片；一平台；一彈性體，具有彈性，且位於該原子力顯微鏡掃描頭裝置及該平台之間以形成一容置空間；一樣本支撐基板，位於該容置空間內，用以放置該試片；一進氣管，從該容置空間外部延伸至該容置空間內部，具有一進氣口連通於該容置空間，藉以將一乾燥用氣體通入該容置空間內；及一出氣管，從該容置空間內部延伸至該容置空間外部，具有一出氣口連通於該容置空間，藉以將該乾燥用氣體排出該容置空間外。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具有乾燥功能的原子力顯微鏡，其中通入該容置空間的進氣量大致等於排出該容置空間的出氣量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具有乾燥功能的原子力顯微鏡，其中使該容置空間內的壓力大於外部的壓力，藉以使水氣不易從外部進入該容置空間內部。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之具有乾燥功能的原子力顯微鏡，其中該進氣管的該進氣口的位置及該出氣管的該出氣口的位置，互相對向且皆位於該容置空間內。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之具有乾燥功能的原子力顯微鏡，其中該進氣口的口徑及該出氣口的口徑，大致相等。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之具有乾燥功能的原子力顯微鏡，其中使該樣本支撐基板之表面的高度，高於該進氣口及該出氣口的位置。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之具有乾燥功能的原子力顯微鏡，其中，該樣本支撐基板界定一放置區域，用以放置該試片，而且該進氣口及該出氣口的位置沒有位於該放置區域的正下方。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之具有乾燥功能的原子力顯微鏡，其中該原子力顯微鏡掃描頭裝置及該平台對該彈性體施加壓力，使該彈性體的上下表面分別抵住且貼合於該原子力顯微鏡掃描頭裝置及該平台。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之具有乾燥功能的原子力顯微鏡，其中該乾燥用氣體為一惰性氣體。
  10. 一種原子力顯微鏡乾燥系統，其用以裝在一適於掃描一試片的原子力顯微鏡上，其包含：一彈性體，具有彈性，且位於該原子力顯微鏡的一原子力顯微鏡掃描頭裝置及該原子力顯微鏡的一平台之間，以形成一容置空間；一樣本支撐基板，位於該容置空間內，用以放置該試片；一進氣管，從該容置空間外部延伸至該容置空間內部，具有一進氣口連通於該容置空間，藉以將一乾燥用氣體通入該容置空間內；及一出氣管，從該容置空間內部延伸至該容置空間外部，具有一出氣口連通於該容置空間，藉以將該乾燥用氣體排出該容置空間外。
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