[发明专利]一种显微监控型可选区原子力显微成像方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种显微监控型可选区原子力显微成像方法及装置。

背景技术

微纳米技术是国际上近年来飞速发展的高新技术领域，美、欧、日等发达国家及我国都将微纳米技术列入二十一世纪国家科技发展战略中优先发展的前沿技术领域。以扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）等为代表的扫描探针显微镜（SPM）家族，是微纳米技术领域中应用十分广泛的微纳米检测技术及仪器，是微纳米技术发展的重要基础之一。其中，AFM不受微纳米样品的导电性（导体、半导体与绝缘体）、磁性（磁体与非磁体）及物质态（固态、胶体与液态）等的限制，因而在微纳米技术及其分支学科中的研究及应用更为广泛，对科学技术特别是微纳米技术的发展起到了重要的推动作用。

需要指出，国内外大多数AFM技术及仪器（以下也称常规型或普通型AFM），虽然其扫描检测精度可以达到纳米量级，但也存在操作复杂、维护要求严苛、扫描区域的选择存在随机性与盲目性、显微成像性能存在局限性等缺点。例如，由于AFM的微悬臂尺寸很小，总长度一般为100μm或200μm，而微悬臂的尖端部尺寸一般在微米量级，如果没有显微监控，很难将直径在微米量级的激光光斑与微悬臂尖端部对准，而激光光斑的聚焦与对准等调节质量的好坏，直接影响到AFM扫描成像质量；同样，在没有显微监控的情况下，AFM只能随机地用微悬臂（微探针）对与微探针正对的样品表面区域进行扫描成像，因而存在随机性和盲目性；此外，也无法对自己感兴趣的样品表面区域进行选区和AFM扫描成像。因此，需要在AFM的原理、方法和技术性能上进一步发展和创新。

将光学显微监控与原子力显微镜（AFM）显微成像相结合的方法，以及将AFM扫描器与二维步进微动台相结合的方法，实现微纳米样品扫描区域的实时监控与选区，并可对激光束与AFM微悬臂（与微探针集成在一起）的调节与对准过程进行监控，同时，有效地监控样品与AFM微悬臂（微探针）的微纳米逼近过程，克服了常规AFM在这些方面的随机性、盲目性和局限性，为实现样品的显微监控、可选区（微米至厘米级视场内任选区域）、大范围（微米级扫描范围及相邻扫描图像拼接）、高分辨率（纳米量级）的原子力显微成像提供了新的技术方法。

发明内容

本发明的目的是克服常规AFM在样品扫描区域监控与选区、光斑与微悬臂对准、样品与微探针逼近过程监控等方面存在的随机性、盲目性和局限性，提供一种显微监控型可选区原子力显微成像方法及装置。

显微监控型可选区原子力显微成像方法：采用将光学显微监控与原子力显微镜显微成像相结合的方法，以及将原子力显微镜扫描器与二维步进微动台相结合的方法，引入半透半反棱镜、光学显微物镜与CCD，对样品的原子力显微镜扫描区域进行实时显微监控；同时，对激光束在原子力显微镜微探针上照射光斑的调节与对准过程进行监控，从而有效提高原子力显微镜的操作性能与扫描成像质量；此外，对样品与原子力显微镜微探针的微纳米逼近过程进行监控，从而提高微纳米逼近操作的效率和可靠性；引入二维步进微动台，在显微监控下，对感兴趣的样品表面区域进行选区，并配合原子力显微镜扫描器实现样品表面任意区域的原子力显微成像；在此基础上，进一步实现样品的显微监控、从微米至厘米级视场内任选区域，从微米级扫描范围及相邻扫描图像拼接得到大范围、纳米量级高分辨率的原子力显微镜成像。

显微监控型可选区原子力显微成像装置包括显微监控型可选区AFM探头、前置放大器、XY扫描与Z反馈控制单元、XYZ高压放大模块、步进控制模块、视频采集模块、计算机及硬件接口；前置放大器与激光器及位置敏感元件连接，同时与XY扫描与Z反馈控制单元连接，XY扫描与Z反馈控制单元与XYZ高压放大模块及计算机及硬件接口连接，步进控制模块两端分别与步进电机、计算机及硬件接口连接，视频采集模块两端分别与CCD、计算机及硬件接口连接。