[发明专利]用于控制扫描探针显微镜的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于控制扫描探针显微镜的方法及装置。

背景技术

扫描探针显微技术及特别是原子力显微技术(AFM)为生命科学中具有价值的方法。基于AFM的压痕实验是用于检测各种各样样本的机械性能的重要技术，然而，生物组织样本包括引起表面粗糙度变大的表面特征，该粗糙度会超出垂直运动或者纳米扫描仪(以下“纳米扫描仪”作为用于控制扫描探针显微镜的压电元件、音圈马达或类似装置的统称词)伸展的最大范围。

这种纳米扫描仪，尤其压电元件，通常显示根据制造设计的在5μm到10μm之间变化的移动范围。纳米扫描仪的主要功能是通过垂直提升或降低悬臂尖(cantilever tip)(上-下设置)或样本(下-上设置)维持探针尖、更精确的悬臂尖与被检测的样本之间的用户指定的相互作用力。在上-下设置时，悬臂或悬臂组件直接联接到压电元件，样本或样本保持器不移动。在下-上设置时，样本或样本保持器直接联接到压电元件。悬臂组件保持不动。可选地，样本可通过压电元件(下-上)而在垂直方向移动，而悬臂通过附加压电元件而在水平方向(上-横向)移动。或者，在另一种配置中，悬臂可通过压电元件(上-下)而在垂直方向移动，而样本通过附加压电元件而在水平方向(下-横向)移动。

在这种方式下，纳米扫描仪通过沿垂直方向移动样本或悬臂的样本扫描(力映射)期间中保持不变的尖端样本力。力曲线通常记录在，但不限于，具有间距大约1μm的相邻压痕点的从10μm×10μm到150μm×150μm范围的扫描区域。对于记录力曲线，纳米扫描仪伸展(悬臂朝向样本)直到悬臂弯曲达到施加到样本上的给定力。这产生“追踪”曲线。接着纳米扫描仪缩回一定距离，产生“缩回”曲线，接着移到下一个压痕点。

当扫描区的样本表面的褶皱(corrugation)(z轴向的样本不均匀)大于给定的纳米扫描仪沿z轴的范围(5μm至10μm)时，就会出现问题。因此，在上-下设置中，若褶皱太大，压电元件将要么完全伸展要么完全缩回。若压电元件完全伸展但样本表面仍在降低，则悬臂将不会接触。另一方面，若压电元件已完全缩回但样本表面仍在升高，则悬臂的力将增加超过给定力的最大值。接着悬臂尖逐步压入样本的表面。在这两种情况下，上面所述的不变的尖端样本力就不能够得到维持。对于下-上设置，方向则是相反的。

发明内容

基于背景技术，本发明的目标是提供控制扫描探针显微镜的方法及装置，尤其用于具有大表面褶皱或粗糙度的样本测量。

本发明提供的方案为监测压电元件的伸展或运动，并当压电元件达到其极限或当它位于接近其极限的预定范围时，通过外部马达或驱动器移动相对或绝对高度的悬臂。开发额外的模块以允许进行很粗糙样本的压痕测试。在每个单个压痕点，纳米扫描仪的全部运动或伸展被记录分析。

根据本发明的一个方面，提供一种控制具有用于与样本相互作用的尖端的探针以及用于保持样本或探针的纳米扫描仪的扫描探针显微镜的方法，包括步骤：

监测纳米扫描仪沿尖端朝向样本移动的第一方向的伸展，以及

当纳米扫描仪显示伸展低于或高于阈值时，通过附加致动器调节探针沿第一方向的水平面。

这种扫描探针显微镜用于利用扫描样本的物理探针形成样本表面的图像或地图(map)。这种图像可以通过沿着线或点栅格以光栅扫描方式机械地移动探针，并记录探针表面的相互作用而获得。

在一些实施例中，扫描探针显微镜选自包括原子力显微镜、化学力显微镜、导电原子力显微镜、扫描隧道显微镜及磁力显微镜的组中。

在一些实施例中，扫描探针显微镜具有至少1μm的分辨能力。本说明书文中的分辨能力指的是扫描探针显微镜仍能区分样本上两点之间的关于诸如电荷、磁化强度或机械性能的检测特征的点之间的最小距离。至少1μm的分辨能力意味着显微镜能区分分开不超过1μm的两点。至少1μm的分辨能力也包含更高的分辨能力。分辨能力高于1μm意味着显微镜能区分具有小于1μm的距离的两点。例如分辨能力高于1μm的示例有0.5μm、0.1μm、10nm以及1nm。

在一些实施例中，这种探针用于通过电子或诸如范德华(van-der-Walls)力、机械力、静电力、附着力、摩擦力或磁力的力与样本相互作用。

在一些实施例中，探针用于通过检测记录样本与探针之间的相互作用，例如电流、电或化学势的差值、静电电容的变化或者上述的力。

在一些实施例中，探针从包括导电扫描尖端、悬臂及光学纤维的组中选择。