[发明专利]应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置

说明书

本发明公开了应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置，包括腔体上盖、组合探针切换机构和组合探针，利用该装置在真空或气氛环境下实现多模式组合探针原位高效切换时，首先将该装置安装在扫描探针显微镜上，设置真空或气氛环境，然后组合探针切换机构摆动，驱动组合探针依次到目标位置，对样品进行多模式原位测试，该装置解决了现有扫描探针显微镜的不足，避免切换探针时破坏实验环境，支持多模式原位测试，通过电磁测试模式测试或改变样品表面电磁类物理量，通过轻敲模式无损测量样品表面形貌，尤其适用于软样品，通过摩擦力模式测试样品表面摩擦磨损，采用摆动式设计，减小装置体积，节约腔体空间，增加装置通用性。

技术领域

本发明涉及精密仪器领域，具体而言，涉及应用于扫描探针显微镜的摆动式多模式组合探针测试装置。

背景技术

扫描探针显微镜，是利用探针在样品表面的扫描移动来测量或改变样品表面形貌、表面组分及表面性质等物理量的显微镜的总称。其根据所测量或改变物理量种类的不同又可包含原子力显微镜、导电原子力显微镜、静电力显微镜、扫描开尔文探针显微镜、磁力显微镜、扫描扩展电阻显微镜和扫描非线性介电显微镜等测试模式。扫描探针显微镜已在表界面科学、材料科学、生物科学等领域发挥了重要作用，且已经成为微纳尺度下相关科学研究不可或缺的工具之一。

根据调研，目前绝大多数商用的扫描探针显微镜为单一探针方案，即仅支持每次安装一支探针进行表面测试。然而，随着研究内容的不断深入，单一探针方案难以满足更高的研究需求，往往需要多种类、多功能的探针来支持扫描探针显微镜的不同测试模式。对于单一探针方案的扫描探针显微镜，在切换探针进行不同功能扫描时，必须中止实验以更换探针，该方案不可避免的存在如下所示的不足之处：

1.破坏扫描探针显微镜内部环境。单一探针方案的扫描探针显微镜更换探针时必须打开腔体手动更换探针，使原本处于真空、气氛等不同工作环境下的腔体内部空间暴露于大气，从而破坏扫描探针显微镜内部环境。

2.污染样品，甚至破坏样品。暴露于大气后，处于腔体内部空间的样品接触空气中的水蒸气、氧气或者污染物，从而污染样品，甚至破坏部分对环境敏感的样品，如磷酸二氢钾晶体样品在大气环境会因潮解而破坏。

目前仅有极少数的商用扫描探针显微镜为多探针方案，其将两支或两支以上探针停放在扫描探针显微镜腔体内部专门设置的探针停放台，通过传样杆取用不同的探针，将其依次安装在扫描探针显微镜上，进而依次对样品表面进行测试。该方案可以在一定程度上解决单一探针方案的不足，但其又不可避免的存在如下所示的不足之处：

1.使用范围有限。仅针对特定型号扫描探针显微镜专门设计，难以直接或简单优化而适配到其他扫描探针显微镜；

2.腔体体积庞大，整体结构复杂，且探针切换需要手动操作，操作复杂，过程繁琐，效率较低。

本课题组申请的一项中国发明专利“基于环境可控型原子力显微镜的数控旋转式探针切换装置，201810637066.X”，公开了一种基于环境可控型原子力显微镜的数控旋转式探针切换装置，其包括腔体上盖和探针切换结构，其能够在真空、气氛等不同工作环境下通过程序控制切换具有不同功能的探针。但是，在实际使用过程中，该专利不可避免的存在如下所示的不足之处：

1.该装置基于原子力显微镜，而无法适配扫描探针显微镜的其他模式进行测试，如测量表面电势的扫描开尔文探针显微镜模式等。

2.该装置基于原子力显微镜，但仅支持在接触模式下进行表面形貌测量和摩擦磨损测试，而无法支持在轻敲模式下进行测试，容易对软样品造成损伤。