[发明专利]采用磁驱峰值力调制原子力显微镜进行的多参数同步测量方法

说明书

采用磁驱峰值力调制原子力显微镜进行的多参数同步测量方法，涉及微纳米尺度下材料的表面形貌、力学特性的测量技术，是为了解决传统基于力位移曲线的方法中探针的驱动频率范围受限、以及在液体环境下整体驱动探针会干扰探针悬臂的运动，影响测量精度的问题。样品台内置有线圈，探针针尖上设置有沿探针长度方向磁化或有在该方向的磁化分量的磁性颗粒。首先获得探针自由状态振动的PSD电压曲线U_free，再获得探针间歇接触样品时针尖位置的PSD电压曲线U_inden，由U_free和U_inden获得探针受力的电压曲线U_Force，根据以上各曲线获得力‑位移曲线，进而结合相应的接触力学模型获得材料的力学特性。本发明探针驱动频率范围宽，测量精度高，适用于高分子复合材料或者生物细胞的研究。

技术领域

本发明涉及微纳米尺度下材料的表面形貌、力学特性的测量技术。

背景技术

纳米级形貌观测以及不同材料物理特性的表征是研究高分子复合材料或者生物细胞的重要手段。如何实现宽杨氏模量组分的样品在宽测量频域下纳米力学特性的表征，是在微纳米尺度下研究高分子材料或者活体生物细胞的关键。现有的基于原子力显微镜通过驱动探针挠曲运动来测量材料物理特性的方法中，按照探针是否处于共振状态分为两大类：一类是驱动探针在共振频率附近运动，其控制探针与样品表面的相对位置使用的反馈信号是探针的振幅、相位或频率，具有代表性的是“双模态法(Bimodal-mode)”，“谐波法(HarmonicX mode)”等；另一类是驱动探针偏离其共振频率运动，其控制探针与样品表面相对位置使用的反馈信号是探针相对于其自由状态(探针已经被驱动，只是还没有和样品接触)针尖位置的改变量(即针尖和样品间的作用力，峰值力调制)具有代表性的是“力阵列模式(Force-volume mode)”、“力脉冲模式(Pulse force mode)”和“最大压痕力轻敲(Peakforce Tapping)”三种方法。

由于后者获取力位移曲线十分方便，所需的仪器设备较少，因此在测量材料的物理特性中应用十分广泛。它们都是基于测量探针针尖在接触和脱离样品过程中针尖处的受力和相对固定端的位移曲线(Force-distance Curve)进而获得材料的纳米力学特性。

该类方法目前驱动探针采用的均为压电陶瓷，由于探针、探针支架和压电陶瓷都具有一定的质量，受其惯性力的影响，以足够的振幅(50-100nm)驱动其在较高的频率(几十千赫兹)做周期性的运动难以准确实现，这限制了其实施测量的频率范围以及扫描的速度；同时在液体下采用压电陶瓷整体驱动探针支架和探针托(毫米级尺度)会对液体造成很大的扰动，干扰测量过程中探针悬臂(微米级尺度)的运动，降低了探针针尖处检测位移信号的信噪比，影响测量精度。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统基于力位移曲线的原子力显微镜驱动方法中，探针的驱动频率范围受限、以及在液体环境下整体驱动探针会干扰探针悬臂的运动，影响测量精度的问题，提供一种磁驱峰值力调制原子力显微镜及多参数同步测量方法。

本发明所述的磁驱峰值力调制原子力显微镜，其特征在于，探针配备有线圈，线圈位置可根据需要设定，例如可以设置在样品台内部，也可以设置在样品台外部，所述线圈中电流的频率低于探针的一阶共振频率，探针的微悬臂上联接有磁性物质，该磁性物质的磁化方向沿探针长度方向或者含有沿探针长度方向的分量。

采用上述原子力显微镜进行的多参数同步测量方法为：采用周期性变化的磁场驱动探针在低于其一阶共振频率以下振动，控制样品和探针相对位置的信号是样品受到的探针针尖作用的最大压痕力，而不是探针运动的振幅、频率、或相位。