[實(shí)用新型]具有二維掃描功能的原子力顯微鏡測頭

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201320668215.1
• 申請日: 2013-10-28
• 公開（公告）號: CN203643473U
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳森;胡曉東;胡小唐;徐臨燕
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: G01Q60/24
• 分類號: G01Q60/24
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 杜文茹

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種原子力顯微鏡掃描測頭。特別是涉及一種具有二維掃描功能的原子力顯微鏡測頭。?

背景技術(shù)

20世紀(jì)80年代原子力顯微鏡的出現(xiàn)使人們得以在納米尺度直觀地認(rèn)識各類導(dǎo)電、非導(dǎo)電材料乃至生物樣品的表面結(jié)構(gòu)。經(jīng)過二十余年的發(fā)展，如今該技術(shù)已成為半導(dǎo)體工業(yè)、納米材料、生命科學(xué)等領(lǐng)域的基本分析技術(shù)之一，應(yīng)用十分廣泛。?

目前大多數(shù)的原子力顯微鏡都采用懸臂梁式探針探測樣品表面起伏，同時利用光杠桿方法放大懸臂梁的形變。光杠桿檢測光路位于測頭內(nèi)，其中激光器發(fā)出激光束打在懸臂梁上，懸臂梁將光束反射至光電探測器，探測器上光斑的位移即反映梁的變形。根據(jù)掃描運(yùn)動對象的不同，原子力顯微鏡的結(jié)構(gòu)可分為上掃描和下掃描兩類，分別如圖1a、1b所示。上掃描為樣品靜止，測頭相對于樣品做掃描運(yùn)動；下掃描為測頭靜止，樣品相對于測頭做掃描運(yùn)動。掃描動作通常借助管式或三腳架式壓電陶瓷掃描器實(shí)現(xiàn)。這類掃描器掃描速度快，能同時實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動，但帶載能力較弱，且原理上存在三軸運(yùn)動耦合，在大范圍XY平面掃描時會出現(xiàn)明顯的Z向彎曲畸變。因此，對于較大的樣品只能使用上掃描方式，即讓掃描器集成于測頭中帶著探針動。上掃描方式要求激光能夠?qū)崟r跟蹤懸臂梁的運(yùn)動。現(xiàn)有測頭雖可借助跟蹤透鏡保證測量光束打在梁上，但尚不能完全消除掃描運(yùn)動所致的光束反射角變化以及由此引起的光杠桿檢測誤差。此外，傳統(tǒng)光杠桿光路中激光束腰直徑一般在幾十微米，而近年興起的響應(yīng)速度更快的小尺寸懸臂梁本身只有二三十微米長，這就意味著現(xiàn)有測頭光路可能無法滿足今后的高速掃描需求。?

發(fā)明內(nèi)容

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)測量光束對懸臂梁探針的零誤差跟蹤的具有二維掃描功能的原子力顯微鏡測頭。?

本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：一種具有二維掃描功能的原子力顯微鏡測頭，是由光學(xué)檢測模塊和與所述的光學(xué)檢測模塊進(jìn)行光連接的掃描模塊構(gòu)成，所述的掃描模塊包括有：能夠進(jìn)行水平一維掃描運(yùn)動的Y向一維掃描機(jī)構(gòu)和固定連接在所述Y向一維掃描機(jī)構(gòu)上能夠進(jìn)行垂直一維掃描運(yùn)動的Z向一維掃描機(jī)構(gòu)，所述的Z向一維掃描機(jī)構(gòu)上固定有懸臂梁探針和位于懸臂梁探針上方的非球面透鏡，所述的Y向一維掃描機(jī)構(gòu)上固定設(shè)置有與所述的非球面透鏡透射光路相對應(yīng)的直角棱鏡；所述的光學(xué)檢測模塊包括有：沿直角棱鏡的水平入射光路依次設(shè)置的激光器、準(zhǔn)直鏡、極化分光鏡、四分之一波片和第一分束器，其中，所述的第一分束器的垂直分光光路上依次設(shè)置有第二分束器、管鏡和CCD相機(jī)，所述的第二分束器的水平方向接口連接有照明光源，所述的極化分光鏡的垂直光路上依次設(shè)置有會聚透鏡和光電探測器。?

所述的光學(xué)檢測模塊和Y向一維掃描機(jī)構(gòu)固定在測頭基座上。?

所述的Z向一維掃描機(jī)構(gòu)的工作方向與所述的Y向一維掃描機(jī)構(gòu)的工作方向正交。?

所述的所述的光學(xué)檢測模塊發(fā)出的激光以線偏振光形式進(jìn)入所述的掃描模塊，從所述的掃描模塊返回光學(xué)檢測模塊的激光束也為線偏光。?

所述的第二分束器和管鏡之間設(shè)置有衰減片。?

所述的光電探測器安裝在會聚透鏡的后焦平面以外。?

所述的會聚透鏡和光電探測器之間設(shè)置有濾光片，所述濾光片緊鄰光電探測器安裝，且濾光片的通帶頻率與所用激光頻率一致。?

所述的懸臂梁探針位于非球面透鏡的焦點(diǎn)處，掃描過程中懸臂梁探針與非球面透鏡跟隨Z向一維掃描機(jī)構(gòu)運(yùn)動且保持相對位置不變；而Z向一維掃描機(jī)構(gòu)又跟隨Y向一維掃描機(jī)構(gòu)進(jìn)行水平掃描運(yùn)動，從而使懸臂梁探針和非球面透鏡保持與直角棱鏡的水平相對位置不變。?

所述的CCD相機(jī)、管鏡、第一分束器、直角棱鏡和非球面透鏡構(gòu)成用于觀察懸臂梁和樣品的無限共軛顯微光路；所述的光電探測器、會聚透鏡、極化分光鏡、四分之一波片、第一分束器、直角棱鏡、非球面透鏡和懸臂梁探針構(gòu)成光杠桿光路。?

設(shè)定非球面透鏡、會聚透鏡、管鏡的焦距分別對應(yīng)為f₁、f₂、f₃，會聚透鏡后焦面到光電探測器光敏面的距離為L，設(shè)置懸臂梁探針的懸臂梁長為l，并設(shè)定激光在懸臂梁上的反射點(diǎn)，即懸臂梁探針在懸臂梁的自由端處，則根據(jù)幾何光學(xué)及材料力學(xué)原理得到：光杠桿光路對探針自由端Z向位移的放大倍率為A=3(L/l)·(f₁/f₂)；無限共軛顯微光路的光學(xué)放大倍率為M=f₃/f₁；在保持掃描模塊不變的情況下，通過調(diào)整光學(xué)檢測模塊中會聚透鏡、管鏡的焦距和光電探測器的位置即調(diào)節(jié)了相關(guān)放大倍率和檢測靈敏度。?