[發明專利]使用峰值力輕敲的樣本的紅外表征

在審

• 申請號: 201780065286.3
• 申請日: 2017-08-22
• 公開（公告）號: CN110168383A
• 公開（公告）日: 2019-08-23
• 發明（設計）人: 許曉汲;馬丁·瓦格納;蘇禪敏
• 申請（專利權）人: 布魯克納米公司;里海大學
• 主分類號: G01Q60/24
• 分類號: G01Q60/24;G01Q10/06
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識產權代理有限責任公司 11204
• 代理人: 王達佐;王艷春

一種使用原子力顯微鏡AFM以及引導至AFM的探針針尖的脈沖IR激光進行樣本表征的裝置和方法。所述激光脈沖與AFM的振蕩驅動同步，使得脈沖與針尖/樣本僅在選定(例如每隔一個)的振蕩循環相互作用。并且，能夠在低于50nm，甚至低于20nm的分辨率下進行納米機械和納米光譜測量。

相關申請的交叉引用

本申請根據35USC § 1.119(e)要求2016年8月22日提交的美國專利申請序列號62/378,107的題為“Peak Force Infrared Sample Characterization”的優先權，并且也要求2017年5月16日提交的美國臨時專利申請序列號為62/506,962的題為“OscillatingMode Infrared Sample Characterization”的優先權。上述申請主題的全部內容結合于此作為參考。

技術領域

本發明的優選實施例涉及進行納米機械測量和光譜測量，更具體地，使用峰值力輕敲(Peak Force)原子力顯微鏡(AFM)以及使用紅外(IR)電磁激發以在樣本上實現局部光譜，同時實現樣本的納米機械表征。

背景技術

將紅外光譜(Infrared spectroscopy)測量和掃描探針顯微鏡(SPM)結合起來用于執行將紅外光源集成起來的光譜測量方法，例如，將可調諧自由電子激光器、光學參量振蕩器，或量子級聯激光器與具有用于測量樣本對紅外光的局部吸收的尖銳的探針的原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)進行結合。在這方面，在先技術以接觸模式AFM為基礎，并且，從在光吸收期間樣本膨脹時發生的接觸諧振振蕩中提取吸收信號。經過發展，已經將這些基于光熱AFM技術的空間分辨率從微米改善到100nm。

可以對被測樣本和輻射能之間的相互作用進行監控以產生關于樣本的信息。在光譜方法中，能夠測量從樣本分散至組分能量的光，例如能夠將其繪制關于波長函數。通過對分散光進行上述分離與分析，用戶能夠確定樣本的物理性質，例如溫度、質量和組成。

值得注意的是，以納米級的空間分辨率進行光譜測量的技術不斷得到改進。然而，盡管具有超出衍射極限的空間分辨率的成像技術不斷發展，但在同時提供化學特異性和分子水平上的靈敏度的光譜方面仍具有挑戰。遠場定位(Far-field localization)技術能夠通過點擴散函數重建實現低至約20nm的空間分辨率，但通常依賴于來自離散分子或具有有限的化學特異性信息的量子點發射器的熒光。

SPM促進了這一領域的發展。AFM是一種使用具有針尖的探針的裝置，其使針尖以適當的力與樣本表面相互作用，直到表面具有原子尺寸的特性。通常，將探針引入樣本表面以檢測樣本特性的變化。通過在針尖和樣本之間提供相對的掃描運動，可以在樣本的特定區域上獲取表面特性數據，并且可以生成對應樣本的圖。

在圖1中示意性地示出了典型的AFM系統。AFM10采用探針裝置12，該探針裝置12包括具有懸臂15的探針14。掃描器24產生探針14與樣本22之間相對運動，同時測量探針-樣本的相互作用。以這種方式，可以獲得樣本的圖像或其他測量值。通常，掃描器24包括在三個相互正交的方向(XYZ)上生成運動的一個或多個致動器。通常，掃描器24是包括用于在全部三個軸上移動樣本或探針的一個或多個致動器的單個集成單元，例如能夠是壓電管致動器?？商娲?，掃描器可以是多個獨立的致動器的組合。一些AFM將掃描器分成多個部件，例如，移動樣本的XY致動器和移動探針的獨立的Z致動器。如在Hansma等人的美國專利第RE34,489號、Elings等人的美國專利第5,266,801號以及Elings等人的美國專利第5,412,980號中所描述的，裝置能夠在探針與樣本之間產生相對運動，同時測量樣本的形貌(topography)或一些其它特性。

在通常配置中，探針14通常耦合到振蕩致動器或驅動器16，該振蕩致動器或驅動器16用于在懸臂15的諧振頻率或諧振頻率附近驅動探針14?？蛇x的配置用于測量懸臂15的偏轉、扭轉或其他運動。探針14通常是具有集成針尖17的微型懸臂。