[发明专利]一种面向纳米观测与操作的样品无损逼近方法及实现装置

说明书

技术领域

本发明涉及采用原子力显微镜(AFM)探针进行纳米观测与操作过程中的一种样品无损逼近方法及实现装置，该方法可以实现样品与探针的无损逼近。

背景技术

纳米观测与操作技术在纳米材料观测、纳米器件制造，纳米科学研究以及纳米加工应用中具有十分重要的作用，采用AFM探针模式的纳米观测与操作已成为目前纳米科学研究的重要方向。AFM探针模式进行纳米观测与操作原理是，控制微细悬臂梁结构探针对样品表面产生接触或非接触状态(纳米尺度)，利用光电传感技术检测这种状态下探针的受力变形，得到样品的形貌特征或探针的操作力信息，以达到对样品的纳米级形貌观测和操作。这需要通过对PZT(压电材料，可产生几百微米行程的微运动)构成的运动系统施加驱动电压，控制PZT带动样品逼近到探针的观测与操作距离，这个距离一般需要控制在几到几十纳米。通常采用的逼近控制方法是控制步进电机带动样品台逼近，并检测光电位置传感器上经由探针反射的激光光斑所在的位置信号是否突变，以此来检测样品是否达到与探针接触置状态。由于探针(通常由锑铂、铬金、氮化硅等材料制造)直径通常为几到十几纳米，这种直接方式要求系统有很高的精确稳定控制和响应速度能力，实现难度较高，逼近接触过程中也容易形成样品与探针之间的碰撞，这种碰撞即可能引起探针损坏，也容易对软样品例如DNA等生物样品产生伤害。典型的硅材料探针参见图1-1(硅探针)，及图1-2(针尖部分)。

发明内容

为解决基于AFM探针模式的样品逼近易损问题，本发明提出一种样品无损逼近控制方法及实现装置，通过本发明可以实现样品与探针的无损伤逼近。

为了实现上述目的，本发明技术方案：

逼近控制方法：通过控制样品相对于探针进行微米级的初调运动及纳米级的精密运动，经检测反射激光光斑的位置变化信号的反馈控制步骤，通过检测样品逼近探针产生原子力作用时产生的光电检测信息进行反馈控制，达到控制样品无损逼近探针的目的；具体：

由驱动控制器控制步进电机驱动初调平台使样品向探针方向作逼近运动，并由驱动控制器接收来自光电限位开关的信号，完成初始逼近步骤；再通过驱动控制器对PZT驱动器上逐步加入逼近方向驱动电压，同时检测光电位置传感器上的由探针反射的激光光斑位置变化信号，如果光斑位置信号产生突变，则说明样品已接触探针，停止逼近，完成逼近过程；如果PZT驱动器的驱动电压加到最大额定值时，光电传感器仍然没有输出突变信号，则撤销PZT驱动器的逼近驱动电压；再控制步进电机驱动初调平台步进，重新按前述方式驱动PZT进行逼近，直至光电传感器产生突变信号为止；

控制步进电机驱动初调平台的步进尺度控制在PZT驱动器额定最大伸长量以内；反馈控制步骤具体为：检测探针上的悬臂梁结构产生的由样品与探针针尖间原子力作用引起的变形，进而引起反射激光射在光电传感器上光斑位置的变化，实现样品与探针的逼近反馈控制；解释所述光斑位置变化的信号有两个方式：一是描述纳米尺度的样品形貌，二是将探针受力形变信号解释成操作力的大小和方向，用以控制操作时探针的运动和方向；逼近方向为探针所在方向；

所述面向纳米观测与操作的样品无损逼近方法的实现装置，包括：

初调运动平台，由步进电机、减速机构、一维运动平台组成，其中步进电机安装在底座上，输出轴与减速机构相连；减速机构末端连接一维运动平台；

精密运动平台，由PZT驱动器构成，底端固定安装在初调运动平台自由端，即一端固定在一维运动平台内，顶端设有用来放置样品的样品台；

反馈控制单元，由激光器、光电传感器、探针和驱动控制器构成，探针位于样品上方、于激光光路上，其产生的反射激光至光电传感器；光电传感器的安装位置在可接收由探针反射激光束的光路位置上；

驱动控制器，分别与安装在底座构件上的光电传感器电连接；并与步进电机和PZT驱动器通讯，通过输出编码/电压信号控制步进电机和PZT驱动器；

光电限位开关，被固定在底座侧壁和一维运动平台上，其测点位于滑块一侧；

驱动控制器以单片机为核心，具有串行通讯和预编程能力，与上位机通信交换系统状态与控制参数信息；

所述探针为在一端固定的悬臂梁尖端上加装一针尖构成可在原子力作用时产生变形的结构；所述一维运动平台，包括丝杠，滑块及光杠，滑块安装在丝杠上，与光杠并列设在滑块上；所述精密运动平台采用一维、二维或三维类型。

本发明有如下优点：

1.本发明采用光电开关限位技术，完成样品与操作探针之间的相对定位，可以对样品完成一次保护。