专利名称：一种基于原子力显微镜的测量衬底上样品高度的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于原子力显微镜的测量衬底上样品高度的装置，具体地说，是一种通过改变轻敲模式原子力显微镜中针尖的高度来测量衬底上样品高度的装置。
AFM是利用针尖和样品间的范德华力进行成像，范德华力的作用力程很短，所以针尖只有在很靠近样品表面的高度才能稳定成像。如果将针尖抬高来降低针尖与样品间的排斥力，范德华力将不足以使针尖在此高度稳定工作。
DI公司的AFM可以在抬高模式(lift mode)下调节针尖高度开两个频道，在主扫描频道中以轻敲模式对样品的表面形貌成像，完成一行扫描线后，将反馈系统关闭，在主扫描得到的高度信息的基础上，根据插入扫描频道中的扫描高度参数重新确定针尖的位置，或抬高或降低，对样品上同一位置进行扫描，如此反复进行，直到扫描完一幅完整的图。这种方法一般用于获得样品表面电学或磁学方面的信息，但没有应用于样品高度的测量上。
为达到这一目的，本实用新型采用如下的技术方案搭建AFM衬底上样品的测量装置扫描管，其上置衬底，衬底上放置柔软的或刚性的样品；样品上方的的针尖支架上装一导电针尖，它与一压电陶瓷晶片紧密地结合在一起，并藉由一控制系统控制压电陶瓷晶片，从而带动针尖在一定的驱动频率下振动；激光束聚焦在针尖悬臂背面的镜面上，一个四元的光电二极管用于检测样品扫描时由于样品表面的高低起伏引起的悬臂弯曲造成的反射光束的偏移；函数发生器，用于输出0到±15V，频率为200～300KHz的直流电和交流电，通过同轴电缆线输入到显微镜中，电缆线一头与针尖的支架相连，另一头接地，另外，一示波器通过另一同轴电缆线与函数发生器相连，以跟踪其所输出的电压大小和频率；本实用新型的测量装置与现有技术相比，不仅装置结构比较简单，使用方便，而且使针尖在垂直方向上的移动更容易控制，可以在不同的高度上稳定成像，特别在柔软的生物样品的高度测量上更有优势，很大程度上消除了针尖对样品的压力。
图1为本实用新型的基于原子力显微镜的测量衬底上样品高度的装置的结构示意图。
如图1所示，本实用新型包括柔软的或刚性的样品3置于衬底2上，衬底2置于扫描管1上；通过一支架在样品上方设置一导电针尖4，导电针尖4为硅针尖上镀一层惰性金属Pt，厚约200～300，它与压电陶瓷晶片7紧密地结合在一起。AFM控制系统8控制压电陶瓷晶片7带动针尖在一定的驱动频率下振动。
激光束6聚焦在针尖4悬臂背面的镜面上，当对样品3扫描时，由于样品3表面的高低起伏引起的悬臂弯曲会造成反射光束的偏移，这种变化由一个四元的光电二极管5检测出来。
函数发生器11(型号Agilent 33120(Agilent Headquarters395，Mill Rd.，P.O.Box #10395，Palo Alto，CA))，可以输出0到±15V，频率为200～300KHz的直流电和交流电，通过同轴电缆线9输入到显微镜中，电缆线9一头与针尖4的支架相连，另一头接地，针尖4与样品表面间可诱导产生电场。示波器12通过另一同轴电缆线10与函数发生器相连，跟踪所输出的电压。
在针尖4上施加一定的偏压，可以在针尖4与样品3之间诱导形成电场。这种长程的电场力叠加在范德华力上可以扩大针尖4与样品3的距离，使针尖4在垂直方向上的移动更容易控制，而且可以在不同的高度上稳定成像。由于原子间的排斥力只在几个的距离内起作用，针尖4的抬升使排斥力迅速减小，也就是样品3所受到的压力减小，所以发生的形变也随之减小。
如图1所示，调节主扫描中Amplitude Setpoint(Asp，即针尖上所加的力)的大小改变针尖4的位置在一定范围内，Asp变化值与针尖4在Z轴上的位移是线型关系。Asp设置得越大，针尖4距离表面越远；反之，针尖4越靠近表面。本装置在使用中，通过设置AFM控制系统8中的Asp控制针尖4在竖直(Z)方向上的移动。先将Asp变化一定的值，所得空白区域定点扫描的截面图上呈阶梯状，测量阶梯台阶间距，得出Asp变化值与针尖4在Z轴上位移的关系。在此条件下，先设置较大的Asp使针尖4远离样品，不断减小Asp，从看到样品3的上表面开始，到清晰地看到衬底2表面结束。从Asp的差值可以算出针尖4移动的距离，这一段距离就是衬底2上样品3的高度。
或者本装置也可以通过设置AFM控制系统8中抬高模式下的扫描高度参数来控制针尖4在竖直(Z)方向上的移动。在抬高模式下，调节插入扫描频道中的扫描高度参数来改变针尖4的高度扫描高度参数的值设置得越正，针尖4距离表面越远，反之，针尖4越靠近表面。在主扫描中，使针尖4远离样品3，使样品3在图像上没有反差，这样维持针尖4在一个恒定的高度；而在插入扫描中，不断减小扫描高度参数，从看到样品3的上表面开始到清晰地看到衬底2表面结束，扫描高度参数的差值就是衬底2上样品3的高度。
权利要求1.一种基于原子力显微镜的测量衬底上样品高度的装置，包括扫描管(1)，其上置衬底(2)，衬底(2)上放置柔软的或刚性的样品(3)；样品(3)上方的针尖支架上装一导电针尖(4)，它与一压电陶瓷晶片(7)紧密地结合在一起，并藉由一控制系统(8)控制压电陶瓷晶片(7)，从而带动针尖(4)在一定的驱动频率下振动；激光束(6)聚焦在针尖悬臂背面的镜面上，一个四元的光电二极管(5)用于检测样品(3)扫描时由于样品(3)表面的高低起伏引起的悬臂弯曲造成的反射光束的偏移；其特征在于还包括函数发生器(11)，用于输出0到±15V、频率为200～300KHz的直流电和交流电，通过同轴电缆线(9)输入到显微镜中，电缆线(9)一头与针尖(4)的支架相连，另一头接地，另外，一示波器(12)通过另一同轴电缆线(10)与函数发生器(11)相连，以跟踪其所输出的电压大小和频率；
2.如权利要求1所述的基于原子力显微镜的测量衬底上样品高度的装置，其特征在于导电针尖(4)为硅针尖上镀一层惰性金属Pt，厚200～300。
专利摘要一种基于原子力显微镜的测量衬底上样品高度的装置，包括原子力显微镜、函数发生器、示波器等，通过在导电针尖上施加一定的偏压，从而在针尖与样品之间诱导形成电场。这种长程的电场力叠加在范德华力上可以扩大针尖与样品的距离，使针尖在垂直方向上的移动更容易控制，而且可以在不同的高度上稳定成像。通过调节Asp(针尖上所加的力)参数或插入扫描频道中的扫描高度参数来改变针尖高度的两种途径，可得到被测样品的高度。本实用新型结构比较简单，使用方便，使针尖在垂直方向上的移动更容易控制，在柔软的生物样品的高度测量上更有优势，很大程度上消除了针尖对样品的压力。
文档编号G01B21/02GK2600809SQ03228129
公开日2004年1月21日 申请日期2003年1月10日 优先权日2003年1月10日
发明者李晓军, 孙洁林, 胡钧, 李民乾, 何品刚, 方禹之, 吕军鸿 申请人:中国科学院上海原子核研究所