[发明专利]一种新型扫描探针显微镜的检测方法和系统

说明书

本发明公开了一种新型扫描探针显微镜的检测方法和系统，系统包括光源、微悬臂探针、四象限接收器和接收器信号处理模块，光源发出的入射光经微悬臂探针反射后形成反射光，反射光被四象限接收器所接收，四象限接收器的输出端与接收器信号处理模块的输入端连接，光源和四象限接收器调整后所固定的位置能使入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直。本发明使入射光的中心轴和反射光的中心轴所在的平面与微悬臂探针的悬臂梁伸展轴垂直，实现了探针弯曲与探针升降这两种运动方式在检测信号上完全解耦，结构简单，成本低，以微悬臂探针作为唯一载荷，保证了扫描驱动装置的响应频率。本发明可广泛应用于显微镜技术领域。

技术领域

本发明涉及显微镜技术领域，尤其是一种新型扫描探针显微镜的检测方法和系统。

背景技术

自1982年扫描隧道显微镜(STM)出现以后，又陆续发展出了一系列工作原理相似的新型显微技术，主要包括原子力显微镜(AFM)、横向力显微镜(LFM)、磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜(EFM)、近场光学显微镜(SNOM)、压电力显微镜(PFM)、扫描探针声学显微镜(SPAM)等，由于它们都是利用探针对被测样品进行扫描，同时检测扫描过程中探针与样品的相互作用(如样品-探针间的相互作用力等)，得到样品相关性质(如形貌、摩擦力、磁畴结构等)的，因而被统称为扫描探针显微镜(SPM)。

在现有众多的扫描探针显微镜实现方案中，目前应用最为广泛的当属基于微悬臂结构探针和通过激光反射法进行检测的激光扫描探针显微镜技术，该显微镜通过激光反射法检测探针悬臂梁的微形变来获得探针针尖与样品的微弱相互作用进行成像，如图1所示。图1中，1为微悬臂探针，2为激光器，3为光斑位置检测器，4为被测样品，5为三维压电扫描器，6为入射激光束，7为微悬臂梁反射激光束。以原子力显微镜为例，它通过检测针尖和样品间的微小作用力(10^-9N量级)得到被测样品的表面形貌，原子力显微镜探针如图1中1所示，是一个前端带有纳米级锐度针尖的弹性微悬臂，激光器2发射的激光束6打到悬臂梁前端，悬臂梁的反射激光束7入射到光斑位置检测器3，将光斑的移动转变为电信号，显然该电信号的变化就代表了微悬臂的弯曲变化和针尖与样品作用力的变化。扫描过程中，原子力显微镜控制系统由扫描驱动电路通过输出特定的电压信号，驱动压电扫描器5使样品4在X、Y方向扫描运动，等效于探针1在样品4表面进行扫描，反馈控制系统则对光斑位置检测器3的输出信号进行实时检测，并通过输出的电压信号驱动压电扫描器5在Z方向压伸缩，自动控制样品上下升降以抵消其表面高低起伏，使探针与样品间的作用力保持恒定。

基于微悬臂结构的探针且通过激光反射法进行检测的激光扫描探针显微镜得到了广泛的应用，成为目前主流产品。与其它方法相比，该显微镜使用了微悬臂探针激光反射检测方法，具有如下优势：1、探针多采用硅或氮化硅制备，结构简单，采用微电子技术可以大批量生产，质量稳定、一致性好且成本低廉；2、通过在探针针尖表面增加功能镀层(或涂层)，可以实现多种扫描探针显微镜技术，能对材料的多种性质进行测量和表征；3、以μm级的悬臂梁长度和mm级的反射光程来构成光杠杆结构，其本身已具有约1000倍的光学增益，故这种检测方法具有很好的灵敏度；4、其一般采用四象限接收器作为反射光斑位置检测器(PSD)，可以对反射光束的偏转进行空间全方位测量，从而对探针因受到样品的法向作用力而引起的悬臂梁弯曲和因受到样品的切向作用力而引起的悬臂梁扭曲进行测量，得到探针-样品的法向力和切向力(相对于样品表面平面来说)。对于接触模式的原子力显微镜来说，其法向力和切向力分别代表了样品的表面形貌和探针与样品间的摩擦力；而对于压电相应力显微镜来说，其法向力和切向力分别代表了铁电样品的面外(out-of-plane)和面内(in-plane)的压电响应。