專利名稱：一種適用于輕敲模式原子力顯微鏡的諧波激勵(lì)成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種成像系統(tǒng)，更特別地說，是指一種適用于輕敲模式原子力顯
^t鏡的諧波激勵(lì)成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
原子力顯^^鏡(Atomic Force Microscope, AFM)是一種利用原子、分
子間的相互作用力來(lái)觀察物體表面微觀形貌的儀器。原子力顯微鏡有一根納米級(jí)
的採(cǎi)針被固定在可靈敏操控的微米級(jí)彈性懸臂上，當(dāng)探針很靠近樣品時(shí)，其頂端 的原子與樣品表面原子間的作用力會(huì)使懸臂彎曲，偏離原來(lái)的位置。根據(jù)掃描樣
品時(shí)探針的偏離量或振動(dòng)缺率重建三維圖像，就能間接獲得樣品表面的形貌或成
分信息。
傳統(tǒng)的輕敲模式原子力顯微鏡的成像系統(tǒng)如圖2所示，圖中，AFM^P激 勵(lì)，收AFM^M器輸出的單一頻率的正弦型信號(hào)^;(如圖2A所示)，而該正 弦型信號(hào)町的 頻率通常選擇為探針(AFM,^m，一部分)的第一個(gè)共 振頻率乂附近。採(cǎi)針的振幅信號(hào)作為反饋控制信號(hào)《，在掃描成像過程中用來(lái) 控制探針與樣品的距離恒定。採(cǎi)針振幅信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)間的相位差被記錄下來(lái)形 成相位襯度像，用來(lái)反映樣品各處的成份差異。
但是，大量的研究表明，相位襯度像只能反映採(cǎi)針與樣品之簡(jiǎn)的非保守力相 互作用，無(wú)法反映樣品各區(qū)域保守力相互作用的差別。另外，相位襯虔像在小振 幅非接觸成像條件下無(wú)法反映樣品各區(qū)域的成份差異。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種適用于輕敲模式原子力顯微鏡的諧波激勵(lì)成像系 統(tǒng)，該成像系統(tǒng)是在現(xiàn)有的AFM ^ &器的 信號(hào)輸入端± ^函數(shù)發(fā)生 器，并在函微生鮮AFM控制器之間增加了鵬濾波器^ft相放大器，并且鎖相放大器利用,信號(hào)K^收到的檢測(cè)控制信號(hào)^進(jìn)行解調(diào)。本發(fā)明的成像系統(tǒng)
在保留基本的相位成像模式的功能的同時(shí)，可以對(duì)探針高次振動(dòng)模式的振幅和相 位變化進(jìn)行成像。這些離次振幅襯度像和高次相位襯度像可以更靈敏的反映樣品 成份差異，并且可以在非接觸模式下區(qū)分樣品各部分的成像差異。
在本發(fā)明中的函數(shù)發(fā)生器依據(jù)波一成像模型
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產(chǎn)生多種頻率成分的非正弦諧
波信號(hào)f。。
在本發(fā)明中,濾波器用于^收的非正弦諧波信號(hào)^迸行濾,率高于第
一個(gè)鄉(xiāng)頻率y;的信號(hào)賴，從而翻繊信號(hào)K。
在本發(fā)明中鎖相放大器利用自信號(hào)k x^收到的檢測(cè)控制信號(hào)k進(jìn)行解調(diào) 放大處理后分別輸出採(cǎi)針振幅k、探針相位^。
本發(fā)明的一種適用于輕敲模式原子力顯微鏡的諧波m^成像系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于
(1) 通過在afm mHKa器的自端接入函數(shù)發(fā)生器可以使探針同時(shí)在多個(gè)
共繊率下振動(dòng)，提髙了afm辦品分析的靈纖。
(2) 通過在afm,^光電四象Wt收器之間接入鎖相放大器,^^相放大器 利用基頻信號(hào)^自收到的檢測(cè)控制信號(hào)k2迸行解調(diào)放大處理后分別輸出
探針振幅^和採(cǎi)針相位f; o該探針振幅^和探針相位p;增加了 afm ,
品成份成像功能。
(3) 函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)為非正弦型周期函數(shù)。
(4) 本發(fā)明的譜波to成像系統(tǒng)可以兩時(shí)襝測(cè)探針的兩個(gè)振動(dòng)頻率的振幅和 相位，從而實(shí)現(xiàn)了樣晶局域成份的成像。而傳統(tǒng)原子力顯微鏡成像系統(tǒng)中 採(cǎi)針僅能工#*一個(gè)隨有頻率的振幅和相位下，影響了成像的質(zhì)量。
(5) 本發(fā)明的諧波*成像系統(tǒng)可以同時(shí)工作于非接觸模式和半接觸模式，而 原子力顯微鏡成像系統(tǒng)只能工作于半接觸模式。
ifffii兌 M


圖1是本發(fā)明的適用于輕i^M子力顯麟的諧波繊成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。 圖2是傳統(tǒng)輕敲模式原子力顯微鏡的成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖2 <A>是傳統(tǒng)輕敲模式原子力顯微鏡的mil頻率與輸出振幅的關(guān)系圖。 圖3是本發(fā)明的諧波Wl成像系統(tǒng)中諧波M(頻率與輸出振幅的關(guān)系圖。 圖4是一幅典型的利用諧波激勵(lì)成像系統(tǒng)得到的掃描圖像。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是一種適用于輕謝莫^f子力顯微鏡的諧波鵬成像系統(tǒng)，l種在輕
敲模式下使用諧波的疊加信號(hào)作為激勵(lì)源，使用鎖相放大Ht尋到探針運(yùn)動(dòng)的高次
諧波分量，并使用這些高次諧波分量的振幅和相位來(lái)獲得更多信息和更高分辨率
的成像技術(shù)。
參見圖i所示，本發(fā)明的一種適用于輕i5m^m子力顯t^的諧波wi成像系
統(tǒng)，是在現(xiàn)有(傳統(tǒng))的輕謝莫鄉(xiāng)子力顯微鏡Jdt過增力,來(lái)^llf的功能，
即本發(fā)明的成像系統(tǒng)在保留基本的相位成像模式的功能的同時(shí)，可以對(duì)探針高次 振動(dòng)模式的振幅和相位變化迸行成像。而這些離次振幅襯度像和髙次相位襯度像 可以更靈敏的反映樣品成份差異,并且可以在非接觸模式下區(qū)分樣品各部分的成 像差異。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品合上的樣品成像，傳統(tǒng)的輕敲模^H子力顯i^至少應(yīng)
該鄉(xiāng)有激光孤光電四^m^收器、纏微麵器、鐘翻器、掃描器和 樣品合。
本發(fā)明是在《^的輕敲m^子力顯微鏡中增加了函數(shù)發(fā)生器、低通濾波器和
働目^C器三^T^件設(shè)備，函ma生器連接在AFM ^f"M器的TO信，入端 上，鎖相放大器5i^在光電四象麟收駒AFM控f^之間，在函微生辭鎖相
駄器之間串聯(lián)有麟濾波器。
本發(fā)明的一種適用于輕敲模^ii子力顯麟的諧波艦成像系統(tǒng)，其信號(hào)的連
接方式為
(1) 函^E生器輸出的非正弦諧波信號(hào)FQ分別作用到 濾波器和AFM 綱器上；
(2) ^M濾波器,收的非正弦諧波信號(hào)K。進(jìn)行濾^^率髙于第一個(gè)共搌頻 率乂的信號(hào)分量，從而得到a^信號(hào)R輸出繊相放大器；
5(3) AFM^TO器中的^h在非正弦諧波信號(hào)r。下進(jìn)行振動(dòng)，激光器產(chǎn)生
的^^焦到AFM ^* 器的懸自端，^|^的激光束被光電四象,收 收 糊出糊控制信號(hào)J^纖相放大器；
(4) 鎖相J^C器利用a^信號(hào)^^^^l的檢測(cè)控制信號(hào)K進(jìn)行解調(diào)放大處 理后分別輸出探針振幅^和探針相位^給AFM控制器；
(5) AFM^tlHa^針振幅^和探針相位r4來(lái)輸出啟動(dòng)指令給掃描器進(jìn) 行樣品的三維成像。
本發(fā)明的一種適用于輕謝莫^子力顯 的諧波 成像系統(tǒng)，增加的各器 件鄉(xiāng)的功能如下所述 (一)函般生器
所述函數(shù)發(fā)生器依據(jù)波
成像模
y = ^ COS
/>、 ,
! +a2cos
威、
2;r
+ a, cos
威
、2;r j
產(chǎn)生多種頻率成分的諧波激勵(lì)
信號(hào)K (WC為非正弦諧波信號(hào)K)
在波 一 成像模型y = q cos
+ <22COS
2龍
■ +《cos
M、
2;r
中各字
母的物理意義為",表示非正弦諧波信號(hào)^中的第一個(gè)頻率分量的振幅，"2表 示非正弦諧波信號(hào)F。中的第二個(gè)頻率分量的振幅，&表示非正弦諧波信號(hào)F。中
的第z個(gè)頻率分量的振幅，y;表示第一個(gè)共振頻率，f表示探測(cè)時(shí)間，a表示最 接近于第二個(gè)諧波指數(shù)^=4"的整數(shù)，/2表示第二個(gè)共振頻率，x表示最接近
于任意一個(gè)諧波指數(shù)《=^的整數(shù)。
在本發(fā)明中，函數(shù)發(fā)生器選取安捷倫33250A型函數(shù)發(fā)生器。 (二)艦濾波器
所述低通濾波器用于對(duì)接收的非正弦諧波信號(hào)K進(jìn)行濾,率髙于第一個(gè)共 振頻率,的信號(hào)腫，從而得到繊信號(hào)「10
在本發(fā)明中，,濾波M^截ifcM^^tt為第一個(gè)共振頻率,至第二個(gè)共振 頻率/2之間的任意一，率力。(三)鎖相放大器
在本發(fā)明中，鎖相放大器工作于諧M^測(cè)方式。在該諧波檢測(cè)方^件下，解
調(diào)頻率設(shè)定為巧-^y;, x表示最接近于任意一個(gè)諧波指數(shù)^-4的整數(shù)，,表
力
示探針的第^個(gè)共振頻率。
所述鎖相放大器利用^M信號(hào)K對(duì)接收到的檢測(cè)控制信號(hào)「2進(jìn)行解調(diào)放大處 理后分別輸出探針振幅K、探針相位K。
所述的探針振幅K是指激勵(lì)探針運(yùn)動(dòng)在解調(diào)頻率^下的振幅，簡(jiǎn)稱探針振幅。
所述的探針相位K是指在同一解UI^率巧下檢測(cè)控制信號(hào)^的相位,簡(jiǎn)稱探 針相位。
在本發(fā)明中，鎖相放大器選取Stanford SR-840鎖相放大器。 . 在本發(fā)明中，安裝有函^E生^v皿濾波H,相放大器的輕敲模式原子力
顯微鏡的諧波,成像系統(tǒng)，該諧波,成像系統(tǒng)的成像過程為
成像過程一'.初始化，獲取AFM^iti&器的共振頻率F-(X，/2,……,Z); 并利用共振頻率F-C/;,/2,……,/)與諧波指數(shù)關(guān)系^=4,(/ = 2,3,4,……)得到
不同^M頻率下的整數(shù)諧波指數(shù)X;
其中，第一個(gè)共自率記為/;，第二個(gè)共振頻率記為/2,……，第^個(gè)共振 頻率記為7;,力也稱為任意一個(gè)共振頻率。
通龠第一賴波指數(shù)為4"、第二個(gè)諧波指數(shù)為4"、……、第沖諧波指數(shù) 為4",但這些諧波指數(shù)都不是一個(gè)整數(shù)。因此，在末發(fā)明中，將最接近于任意
譜波指數(shù)《-;, ("2,3,4,……)的Hit記為x, X也稱為《的整數(shù)谫波指數(shù)e
成像過程二函數(shù)發(fā)生器依據(jù)波一成像模型 、2;r j 、 2;r
"^cosl^" ，|+……+^cosKF產(chǎn)生非正弦諧波信號(hào)K。分別
、2^ ， 一 _
輸出給鵬繊翻細(xì)微麵器;成像過程三AFM旨ifcli^非正弦諧波信號(hào)f;條件下振動(dòng)，激光器產(chǎn)生 的光，焦到AFM探針TO器的懸臂頂端，^!t的激光皿光電四象,收l(shuí)^ 收，從而光電四象限接收，出,控制信號(hào)^;
成像過程四:所述^M濾波器用于X^收的非正弦諧波信號(hào)^進(jìn)行濾除,髙
^m—個(gè)共振頻率y;的信號(hào)^M，從而#^1^^號(hào)^;
成像過as::首先設(shè)定鎖相放大器工作，1^1方式，在該諧t^!l方式條
件下，解調(diào)頻率設(shè)定為^;然后鎖相放大器利用^ft號(hào)K繊收到的糊控
制信號(hào)^進(jìn)行解調(diào)放大處理后分別輸出探針振幅^、探針相位^;
成像過程六AFM控制器在探針振幅^、探針相位)^的控制下啟動(dòng)掃描器 進(jìn)行掃描成像。
圖4是一幅典型的利用諧波激勵(lì)成像系統(tǒng)得到的掃描圖像。樣品為單晶硅片 上生長(zhǎng)的tetrathiafulvalene孤島，tetrathiafulvalene的分子式為 (H2C2S2C2)2，孤島的高度為4個(gè)納米。應(yīng)用本發(fā)明的輕敲m^M子力顯l^的諧 波 成像系1^行成1119描，^gffi^中AFM採(cǎi)針激勵(lì)器的前兩個(gè)共振頻率 分別為173紐z和503極z ，整數(shù)諧波指數(shù)分別為1和3。函數(shù)發(fā)生^據(jù)波一 成像模型7 - cosf +0. lcosf，)產(chǎn)生非正弦諧波信號(hào)F。分別輸出給低通濾
、2^
、2 r 乂
波器和AFMmhM器，AFMmhM自^正弦諧波信號(hào)^，下振動(dòng)，激光 器產(chǎn)生的光棘焦到廳^HW器的懸臂頂端,鄉(xiāng)的激光鄉(xiāng)光電四象m^ ，收,從而光電四象IW^im出翻ail信號(hào)r2; !^m^^^用^W號(hào)K對(duì)
接收到fi翻控制信號(hào)K2謝沐調(diào)jfeMM后分別輸出^f^幅「3 ^ 相位6 。 記錄採(cǎi)針相位^形成掃描圖像。從圖4的掃描圖象中可以清晰地看到 tetrathiafulvalene孤島的顏色較淺，單晶硅片的顏色較深，從而較為清楚地分 辨出了樣品中的硅與tetrathiafulvalene成分。
8
權(quán)利要求
1、一種適用于輕敲模式原子力顯微鏡的諧波激勵(lì)成像系統(tǒng)，其特征在于是在傳統(tǒng)的輕敲模式原子力顯微鏡中增加了函數(shù)發(fā)生器、低通濾波器和鎖相放大器，函數(shù)發(fā)生器連接在AFM探針激勵(lì)器的激勵(lì)信號(hào)輸入端上，鎖相放大器連接在光電四象限接收器與AFM控制器之間，在函數(shù)發(fā)生器與鎖相放大器之間串聯(lián)有低通濾波器；所述的函數(shù)發(fā)生器輸出的非正弦諧波信號(hào)V0分別作用到低通濾波器和AFM探針激勵(lì)器上；所述的低通濾波器對(duì)接收的非正弦諧波信號(hào)V0進(jìn)行濾除頻率高于第一個(gè)共振頻率f1的信號(hào)分量，從而得到基頻信號(hào)V1輸出給鎖相放大器；所述的AFM探針激勵(lì)器中的探針在非正弦諧波信號(hào)V0下進(jìn)行振動(dòng)，激光器產(chǎn)生的光束聚焦到AFM探針激勵(lì)器的懸臂頂端，反射的激光束被光電四象限接收器接收并輸出檢測(cè)控制信號(hào)V2給鎖相放大器；所述的鎖相放大器利用基頻信號(hào)V1對(duì)接收到的檢測(cè)控制信號(hào)V2進(jìn)行解調(diào)放大處理后分別輸出探針振幅V3和探針相位V4給AFM控制器；所述的AFM控制器根據(jù)探針振幅V3和探針相位V4來(lái)輸出啟動(dòng)指令給掃描器進(jìn)行樣品的三維成像。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于輕敲模，子力顯i^的諧波激勵(lì)成像系統(tǒng)，其特 征在乎函數(shù)發(fā)生器依據(jù)波一成像模型+......+《COS2龍產(chǎn)生多種頻率成分的非正弦諧、2冗, 、波信號(hào)k ，在波一成像模型中各字母的物理意義為^^非正弦諧波信號(hào)^中的第一，率分量的振幅，^表示非正弦諧波信號(hào)F。中的第二個(gè)頻率分量的振幅，ai綜非正弦諧波信號(hào)^中的第i頓率分量的振幅，y;表示第一個(gè)共振頻率，《 表示採(cǎi)測(cè)時(shí)間，力表示最接近于第二個(gè)諧波指數(shù)^=4"的整數(shù)，/2表示第二個(gè)共振頻率，x表示最接近于任意一頓波指數(shù)"-4的整數(shù)。《
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于輕敲模,子力顯微鏡的諧波i^成像系統(tǒng)，其特 征在于鎖相^C器工作預(yù)波麵方式，在該諧波鄉(xiāng)方絲件下，解調(diào)頻率設(shè)定為^ = X義，^表示最接近于任意一個(gè)諧波指數(shù)K 的整數(shù)，,表示探針的第z'個(gè) 共振頻率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于輕敲模式原子力顯微鏡的諧波激勵(lì)成像系統(tǒng)，其是在傳統(tǒng)的輕敲模式原子力顯微鏡中增加了函數(shù)發(fā)生器、低通濾波器和鎖相放大器，函數(shù)發(fā)生器連接在AFM探針激勵(lì)器的激勵(lì)信號(hào)輸入端上，鎖相放大器連接在光電四象限接收器與AFM控制器之間，在函數(shù)發(fā)生器與鎖相放大器之間串聯(lián)有低通濾波器。本發(fā)明諧波激勵(lì)成像系統(tǒng)是一種在輕敲模式下使用諧波的疊加信號(hào)作為激勵(lì)源，使用鎖相放大器得到探針運(yùn)動(dòng)的高次諧波分量，并使用這些高次諧波分量的振幅和相位來(lái)獲得更多信息和更高分辨率的成像技術(shù)。
文檔編號(hào)G01N13/16GK101592583SQ20091008776
公開日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者華寶成, 淵 李, 李英姿, 勇 楊, 錢建強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)