一种真空原子力显微镜及其使用方法

摘要

本发明公开了一种真空原子力显微镜及其使用方法，属于微观形貌检测设备领域，其包括电子束发射装置、二次电子探测器、带悬臂梁的探针、压电陶瓷扫描器和反馈控制器。工作时，将电子束照射于探针悬臂梁上，由于探针与样品原子之间的作用力而引起悬臂梁的形变，将产生二次电子信号的变化，通过对该信号进行反馈可控制针尖和样品之间处于恒定作用力，针尖在样品表面逐点扫描，可对样品表面形貌成像。本发明无需引入目前常用的光杠杆系统，克服了常规原子力显微镜应用于真空环境下带来的设计困难，综合两种纳米材料表征手段即原子力显微镜和电子显微镜的优势，可实现对材料从毫米尺度到亚纳米尺度精度的连续测量。

权利要求

1.一种真空原子力显微镜的使用方法，所用的真空原子力显微镜包括反馈控制器、底部防震器以及与防震器相连接的真空腔室，所述真空腔室内包括用于承放样品的压电陶瓷扫描器、用于纵向接近样品的探针、用于检测探针悬臂梁形变的二次电子探测器，以及置于真空腔室内侧顶端的电子束发射装置；其中所述反馈控制器包括信号处理单元和扫描控制器，所述信号处理单元与二次电子探测器前向相连，并与探针后向相连，所述扫描控制器与压电陶瓷扫描器后向相连，且所述反馈控制器连接有计算机主机以及附件形式的显示、存储、输入模块；所述电子束发射装置包括用于产生电子束的电子枪、用于对电子束斑进行聚焦、位置调整的电磁透镜及扫描线圈；所述探针包括由反馈控制器进行位置控制的本体、从本体延伸而出的悬臂梁，以及设于悬臂梁一端的微型针尖，其特征在于：S1、将样品放置于压电陶瓷扫描器上，关闭真空腔室后抽成真空环境；

S2、由电子束发射装置产生并控制电子束，照射到探针悬臂梁上并产生二次电子信号；

S3、控制探针的针尖纵向接近样品表面，当针尖与样品间距足够小而产生原子力作用时，二次电子探测器将会探测到悬臂梁的弯曲，启动反馈控制系统；

S4、控制压电陶瓷扫描器改变样品的空间位置，实时改变针尖高度，使针尖与样品表面保持一恒定的原子作用力；

S5、通过反馈控制器得到针尖相对于样品各点的高度，并将信号传送至信号处理单元，进行样品表面形貌的成像和显示。

2.根据权利要求1所述的一种真空原子力显微镜的使用方法，其特征在于：步骤S4中所述压电陶瓷扫描器改变样品空间位置由反馈控制器进行控制，并且步骤S5中的成像结果由计算机主机外接的存储及显示模块向外界显现。

说明书

一种真空原子力显微镜及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种显微镜装置，尤其涉及一种应用于真空环境下的原子力显微镜系统，属于微观形貌检测设备领域。

背景技术

[0002] 原子力显微镜可以对导体、半导体、绝缘体表面进行微纳米精度的成像，是物理学、化学、生物学、材料学等研究中的一种强有力的表征手段。原子力显微镜的工作原理是基于原子与原子之间的相互作用力。当悬臂梁前端一根十分尖锐的微探针在纵向充分逼近样品表面至数纳米甚至更小间距时，微探针尖端的原子和样品表面的原子之间将产生相互作用的原子力。原子力的大小与间距之间存在一定的曲线关系，通过检测原子间的作用力可以获得样品表面的微观形貌。

[0003] 目前国内外厂商所生产的原子力显微镜均是通过激光和四象限光电检测器来检测原子间的作用力，从而获得被测物体的表面信息。当激光打到悬臂梁上时，由于微探针不断趋近样品表面，使得悬臂梁受原子间作用力而发生微小的弯曲形变，从而引起反射光的偏转，使四象限光电探测器上的光点位置发生变化，通过检测光点位置的变化量，得到微悬臂弯曲形变的变化量，进而得到测力变化量和样品表面形貌。

[0004] 常规原子力显微镜系统由于需要光学系统检测悬臂梁形变，当应用于真空环境时，由于常规光路系统的元件和材料性质的限制，对实现高真空度有较大的影响，因此对其设计提出了非常苛刻的要求。此外由于真空的阻隔，光路的聚焦、对准等操作也非常困难。

发明内容

[0005] 鉴于上述现有原子力显微镜在真空环境下利用激光定位在设计及使用上的不便，本发明的目的旨在设计一种真空原子力显微镜，以其特有的工作方式对各种材料的表面形貌进行从微米到纳米级精度的连续探测，解决显微镜扫描范围较小、难以选区扫描的问题。

[0006] 实现本发明目的的技术方案是：

[0007] 一种真空原子力显微镜，包括反馈控制器、底部防震器以及与防震器相连的真空腔室，其特征在于：所述真空腔室内包括用于承放样品的压电陶瓷扫描器、用于纵向接近样品的带悬臂梁的探针、用于检测探针悬臂梁形变的二次电子探测器，以及置于真空腔室内侧顶端的电子束发射装置；所述反馈控制器与二次电子探测器前向相连，并与探针及压电陶瓷扫描器后向相连。

[0008] 进一步地，所述电子束发射装置包括用于产生电子束的电子枪、用于对电子束斑进行聚焦、位置调整的电磁透镜及扫描线圈；所述探针包括由反馈控制器进行位置控制的本体、从本体延伸而出的悬臂梁，以及设于悬臂梁一端的微型针尖；所述反馈控制器包括信号处理单元和扫描控制器，其中所述信号处理单元与探针及二次电子探测器信号相连，所述扫描控制器与压电陶瓷扫描器信号相连；所述反馈控制器还连接有计算机主机以及附件形式的显示、存储、输入模块。

[0009] 该真空原子力显微镜的工作实现方式是：首先将样品放置于压电陶瓷扫描器上，关闭真空腔室后抽成真空环境；然后由电子束发射装置产生并控制电子束，照射到探针悬臂梁上并产生二次电子信号；接着控制探针的针尖纵向接近样品表面，当针尖与样品间距足够小而产生原子力作用时，二次电子探测器将会探测到悬臂梁的弯曲，启动反馈控制系统；压电陶瓷扫描器改变样品的空间位置，反馈系统实时改变针尖高度，使针尖与样品表面保持一恒定的原子作用力；针尖相对于样品各点的高度信号传送至信号处理单元，进行样品表面形貌的成像和显示。

[0010] 本发明所阐述的一种真空原子力显微镜及其使用方法，其应用实施的有益效果体现在：

[0011] (1)采用电子束发射系统检测悬臂梁的形变，无需引入目前常用的光杠杆系统，克服了常规原子力显微镜应用于真空环境下带来的设计困难；

[0012] (2)电子束发射装置和二次电子探测器可以对半导体、导体样品进行较大范围成像，实现选区扫描；然后扫描探针对所选的区域进行更加细致的探测成像，综合两种纳米材料表征手段即原子力显微镜和电子显微镜的优势，实现对材料从毫米尺度到亚纳米尺度精度的连续测量，具有选区方便，扫描范围大，且分辨率高的特点。

[0013] 以下结合附图和实施例，对本发明真空原子力显微镜的设计核心作进一步非限制性的详细说明

附图说明

[0014] 图1是本发明一实施例的结构示意图；

[0015] 图2是本发明的电器信号结构框图；

[0016] 图3是本发明真空原子力显微镜的工作流程图。

[0017] 图示中各附图标记的含义为：

[0018] 1-电子束发射装置、11-电子枪、12-电磁透镜、13-扫描线圈、2-探针、21-悬臂梁、22-针尖、3二次电子探测器、4-压电陶瓷扫描器、5-真空腔室、6-防震器、7-样品。

具体实施方式

[0019] 如图1本发明真空原子力显微镜系统的一具体实施例结构示意图所示，该原子力显微镜主要包括反馈控制器、底部的防震器6、与防震器6相连的真空腔室5，以及设置于真空腔室5内的电子束发射装置1、探针2、二次电子接收器3及压电陶瓷扫描器4，其中：

[0020] 该电子束发射装置由电子枪11、电磁透镜12和扫描线圈13组成。该电子枪11用来产生电子束；电磁透镜12主要起到会聚作用，可以对电子束斑进行逐级聚焦缩小；扫描线圈13可用来控制电子束照射的位置。

[0021] 该二次电子探测器3用来探测电子束作用到悬臂梁上以后产生的二次电子信号。二次电子探测器可以用闪烁计数器来实现，其包括闪烁晶体、光导管、光电倍增管等部分。

[0022] 该压电陶瓷扫描器9用于放置待检测表面形貌的样品，并可以使样品产生X、Y、Z三维位移；为了增加二次电子产额，可使样品台倾斜一定角度。

[0023] 该探针2由探针本体、悬臂梁21及悬臂梁一端的针尖22构成，其作用是接近样品7表面并产生相互作用力，悬臂梁22的形变可以反映作用力的大小。

[0024] 该真空腔室5用来提供高真空工作环境；而防震器6的作用是减小和消除外界环境的震动对原子力显微镜检测准确率的影响。

[0025] 如图2本发明真空原子力显微镜系统的一具体实施例的电气结构框图所示，本发明原子力显微镜系统的电气连接关系如下：该反馈控制器包括信号处理单元和扫描控制器两个部分，一方面该反馈控制器的信号处理单元与探针2及二次电子探测器3相连。从信号流向来看，信号处理单元与二次电子探测器3为前向相连，即接收来自探测器3的二次电子信号；而与探针2为后向相连，即向探针2输出控制信号，控制针尖23相对于样品7表面的高度。另一方面，该扫描控制器与压电陶瓷扫描器4在信号流的连接关系上为后向相连，亦即向压电陶瓷扫描器4输出扫描位移控制信号，实现对样品7表面选区下的逐点扫描。此外，该反馈控制器还向外连接有计算机主机及附件形式的显示、存储、输入模块。用于试验人员对反馈控制器进行操作及向试验人员显现扫描所得的样品表面形貌图像。

[0026] 如图3本发明真空原子力显微镜系统的工作流程图所示。其实现样品表面形貌检测的工作过程是：

[0027] 首先要做的是常规的实验准备阶段，即将样品7放置于压电陶瓷扫描器4上，关闭真空腔室5后抽成真空环境；然后由电子束发射装置1产生并控制电子束，照射到探针悬臂梁22上产生二次电子信号；控制探针的针尖纵向接近样品表面。

[0028] 扫描器控制器使样品表面被逐点扫描，由于样品表面不同区域的高度起伏不同，使得针尖23与样品7之间相互作用力的大小发生改变，引起悬臂梁22的形变，导致二次电子信号大小也发生改变；

[0029] 接着由反馈控制器对二次电子信号进行处理机反馈，控制探针的针尖纵向接近或远离样品表面，实时改变针尖高度，使针尖与样品表面保持一恒定的原子作用力；

[0030] 通过反馈系统得到针尖相对于样品各点的高度起伏的变化，并将信号传送至信号处理单元，进行样品表面三维形貌的成像和显示。

[0031] 特别地，本发明的一个重要的应用方式是进行选区扫描，可实现对导体、半导体材料从毫米尺度到亚纳米尺度精度的连续测量。其实现方式是：首先二次电子直接对样品表面成像，用于选定探针扫描的区域；然后探针对所选择的特定区域进行扫描成像。其应用实施的有益效果体现在：(1)、采用电子束发射系统检测悬臂梁的形变，无需引入目前常用的光杠杆系统，克服了常规原子力显微镜应用于真空环境下带来的设计困难；(2)、电子束发射装置和二次电子探测器可以对半导体、导体样品进行较大范围成像，实现选区扫描；然后扫描探针对所选的区域进行更加细致的探测成像，综合两种纳米材料表征手段即原子力显微镜和电子显微镜的优势，具有选区方便，扫描范围大，且分辨率高的特点。

[0032] 综上所述，对本发明一种真空原子力显微镜及其工作方式的示例性详细介绍。旨在加深对本发明实质及有益效果的理解。并非以此限制其多样性的实施方式及申请保护范围，因此但凡对于上述实施例进行的简单修改及等效替换，能够实现与本发明相同的创作目的的技术方案，均应归入本专利请求保护的范围之内。