[发明专利]一种石英音叉原子力显微镜系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种原子力显微镜系统，该系统的特点是：针尖和样品的间距是用石英音叉来控制的。

背景技术

1986年瑞士苏黎士实验室的Gerd Binning和Heinrich Rohrer研制出世界上第一台原子力显微镜(Atomic Force Microscope，简称AFM)。AFM使人类能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景。它的基本工作原理是：利用对微弱力极其敏感的易弯曲的悬臂上的尖端对样品表面进行扫描，尖端与样品表面的相互作用力使得悬臂产生微小的弯曲，利用光杠杆原理检测这种弯曲的信号，并用作反馈；通过保持力的恒定，可以获得恒定力状态下的样品表面的形貌图像。由它衍生出来的各种显微镜，使人们可以直观地观测到纳米级别甚至原子级别的物质结构，从而促进了人类在纳米科技的全面发展。但是在使用原子力显微镜对样品进行观测前，使用者必须调节光杠杆的多个旋钮，才能得到很好的图像，这对操作者的经验、能力有较高的要求。本发明提供了一种不需要调节光杠杆就能使用显微镜的方法，所有的调节可以全部在计算机上实现，简化了仪器的操作。

发明内容

本发明中样品和针尖间的相互作用力可以用石英音叉的压电效应来表征，音叉的输出电信号作为反馈信号来控制样品和针尖间的间距。本发明在使用时不需要调节光杠杆，所有的操作可以全部在计算机上实现。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种利用石英音叉控制原子力显微镜针尖和样品间距方法，其特征在于，

将化学腐蚀而形成的针尖或碳纳米管装在表面涂有电极的石英音叉的一个叉枝上，针尖的方向和石英音叉电极表面方向垂直。石英音叉的电极的一极连接一频率和幅度可调的信号源A，另一极连接一个与音叉的静态电容(shunt capacitance)相同容抗的电容，在电容D的另一端接一个和信号源A具有相反相位的信号源B。在电容和石英音叉连接点接一个从1千欧姆到100千欧姆的电阻R，以及与R并联的一个具有高输入阻抗宽带的放大器C。电阻的另一端接地。放大器C的输出幅度输入原子力显微镜控制器的反馈信号通道，用来控制针尖和样品的间距，而相位可以输入原子力显微镜控制器数据采集通道。

一种利用石英音叉控制针尖和样品间距的原子力显微镜系统，其特征在于，该系统包括：

1.原子力探针，它可以是由化学腐蚀形成的金属针尖或碳纳米管，

2.石英音叉探测器

3.石英音叉驱动和探测电路，它有两个幅度相同，相位相反的信号源A和B，他们的频率和幅度同时可以调节，其中信号源B连接一个电容D(5-100pF)，信号源A连接石英音叉探测器。石英音叉探测器的另一端和电容D以及一个电阻R连接(1-100千欧姆)。电阻R的另一端接地。电阻R两端的电压差通过放大器放大经锁相输出。

4.三维样品位置控制器，可以是三维的压电陶瓷位移致动器。

5.原子力显微镜控制器

6.原子力显微镜的其他装备，如防震隔离，进针马达控制等。

本发明利用双信号源补偿电流，减小了石英音叉的静态电容对探测的电信号中的本底电流影响，提高了石英音叉探测器的灵敏度，提高了原子力显微镜的分辨率。

附图说明：

图1是本发明一个较佳石英音叉原子力显微镜系统的实施案例的结构模块图；

图中各标记分别代表的是：1-原子力探针，2-石英音叉探测器，3-石英音叉驱动和探测电路，4-三维样品位置控制器，5-原子力显微镜控制器，6-原子力显微镜的其他装备

图2是本发明一个较佳的石英音叉驱动和探测电路的实施案例的示意图：

图中各标记分别代表的是：301-幅度和频率可调的信号源，2-石英音叉探测器，302-反向放大器，303-正向放大器，304-电容D，305-电阻R，306-放大器C，308-锁相功能块。

具体实施方式

以下结合附图及一较佳实施案例对本发明的技术方案作进一步的说明。

参阅图1，该石英音叉原子力显微镜系统包括原子力探针、石英音叉探测器、石英音叉驱动和探测电路、三维样品位置控制器、原子力显微镜控制器以及原子力显微镜的其他装备组成。

原子力显微镜的针尖可以是碳纳米管，也可以是由金或钨丝经化学腐蚀加工而成，长度大约2毫米左右。