[實用新型]一種多頻掃描探針聲學顯微鏡系統

有效

• 申請號: 201720693515.3
• 申請日: 2017-06-14
• 公開（公告）號: CN206848303U
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發明（設計）人: 吳浚瀚
• 申請（專利權）人: 廣州市本原納米儀器有限公司
• 主分類號: G01Q60/00
• 分類號: G01Q60/00;G01N29/06;G01N29/44
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司44205
• 代理人: 胡輝

技術領域

本實用新型涉及顯微鏡技術領域，尤其是一種多頻掃描探針聲學顯微鏡系統。

背景技術

掃描探針聲學顯微鏡(Scanning Probe Acoustic Microscope，SPAM)是將掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscope，SPM)和掃描聲學顯微鏡(Scanning Acoustic Microscope，SAM)兩種技術結合起來的一種新技術，它既有掃描探針顯微鏡的高分辨表面成像優勢，又有掃描聲學顯微鏡的非破壞性內部成像的特點，可以原位同時觀察材料基于不同成像機理的表面形貌和聲學像，是一種新型多功能顯微成像技術。

現有的掃描探針聲學顯微鏡，其結構如圖1所示，包括激光器1，微懸臂探針2，四象限接收器3，樣品4，聲學換能器5，掃描器6，聲學信號源7，相干檢測解調模塊9，掃描探針顯微鏡控制器25，表面形貌圖顯示模塊13，聲學信號圖顯示模塊14。圖1中，掃描探針聲學顯微鏡在原有原子力顯微鏡的基礎上，增加了一個聲學信號源7，驅動樣品4底部的聲學換能器5對樣品4產生一個特定頻率的聲激勵，以聲波的形式穿過樣品4和聲學換能器5的邊界，在樣品4內傳播。當該頻率的聲波在樣品4中遇到材料微觀結構和局域性能的不均勻時，如遇到微缺陷、疇結構、晶粒晶界及晶粒取向變化以及成分不均勻等時，聲波就會發生折射、反射、干涉等聲學過程，從而在樣品4上表面不同區域產生振幅和相位的變化。這些變化，將傳遞到與樣品4表面接觸的微懸臂探針2，引起微懸臂探針2的懸臂梁同頻振動而形成振動信號，該振動信號的振幅或相位攜帶有樣品4的結構(如表面、亞表面及內部)信息。為了不影響“探針-樣品”體系的穩定性，保證探針掃描過程中在反饋系統控制和驅動下能夠始終跟蹤樣品的表面起伏進行升降并準確得到樣品的表面形貌，必須嚴格控制樣品底部的聲激勵強度，因而微懸臂探針2接收到的聲學信號十分微弱且隱藏在因樣品起伏引起的相對較大的探針懸臂梁垂直方向振動信號中。但微懸臂探針2的聲學信號因聲學激勵信號而產生，它具有一個十分重要的特征，就是和聲學激勵信號具有相干性。因此，可以采用相干檢測技術來對微懸臂探針2的聲學信號進行檢測，即以聲學激勵信號作為參考信號，解調出微懸臂探針2接收到的微弱聲學信號，并將其輸入到由掃描探針顯微鏡控制器25、表面形貌圖顯示模塊13和聲學信號圖顯示模塊14組成的掃描探針顯微鏡控制系統中，從而實時同步顯示樣品4的表面形貌像和聲學像，因此，掃描探針聲學顯微鏡能夠同時獲得樣品的表面形貌和內部結構信息。

然而，現有的掃描探針聲學顯微鏡只具有一個聲學信號源，只能產生單一頻率的聲激勵信號在樣品底部進行聲激勵，存在著以下缺點：

(一)聲學信號對樣品的局部區域檢測不靈敏，不夠準確。

掃描探針聲學顯微鏡檢測時，利用探針在樣品表面與樣品接觸耦合，對聲學信號進行拾取接收。理論分析表明，當聲激勵信號的頻率與“樣品-探針”的局部彈性耦合體系的固有頻率接近時，聲學信號的檢測靈敏度更高。而“樣品-探針”的局部彈性耦合體系的固有頻率除了與探針微懸臂彈性梁的固有頻率相關，還與針尖所接觸的樣品區域的材料力學性能和結構(包括缺陷)相關，也就是說，由于樣品在微觀或介觀尺度上的不均勻性，不同區域的“樣品-探針”的局部彈性耦合體系的固有頻率并不相同，故現有的掃描探針聲學顯微鏡采用了單一頻率的聲激勵信號，聲學信號的檢測靈敏度也不相同，對于樣品檢測范圍中的某些局部區域，可能會因為聲學信號靈敏度降低而遺漏其結構或缺陷的信息，不夠準確。

(二)樣品內部結構的檢測存在盲區，不夠準確。

與一般掃描探針顯微鏡只能得到樣品表面信息不同，掃描探針聲學顯微鏡利用聲波在樣品內部的穿透性，可以得到樣品內部結構(或缺陷)的相關信息。原理上，樣品內部沿聲波傳遞方向上存在一系列間隔為聲波半波長的檢測盲區。現有的掃描探針聲學顯微鏡采用了采用單一頻率的聲激勵信號，對于同一樣品介質，其內部檢測盲區位置也是固定的，在對樣品進行檢測時，可能會因為檢測盲區的存在而遺漏位于檢測盲區中的結構或缺陷的信息，不夠準確。

(三)檢測效率低下和無法實時獲取樣品的全部信息。