专利名称：一种适用于轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种成像系统，更特别地说，是指一种适用于轻敲模式原子力显
^t镜的谐波激励成像系统。
背景技术：
原子力显^^镜(Atomic Force Microscope, AFM)是一种利用原子、分
子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的仪器。原子力显微镜有一根纳米级
的採针被固定在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上，当探针很靠近样品时，其顶端 的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置。根据扫描样
品时探针的偏离量或振动缺率重建三维图像，就能间接获得样品表面的形貌或成
分信息。
传统的轻敲模式原子力显微镜的成像系统如图2所示，图中，AFM^P激 励，收AFM^M器输出的单一频率的正弦型信号^;(如图2A所示)，而该正 弦型信号町的 频率通常选择为探针(AFM,^m，一部分)的第一个共 振频率乂附近。採针的振幅信号作为反馈控制信号《，在扫描成像过程中用来 控制探针与样品的距离恒定。採针振幅信号与激励信号间的相位差被记录下来形 成相位衬度像，用来反映样品各处的成份差异。
但是，大量的研究表明，相位衬度像只能反映採针与样品之简的非保守力相 互作用，无法反映样品各区域保守力相互作用的差别。另外，相位衬虔像在小振 幅非接触成像条件下无法反映样品各区域的成份差异。
发明内容
本发明的目的是提出一种适用于轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系 统，该成像系统是在现有的AFM ^ &器的 信号输入端± ^函数发生 器，并在函微生鮮AFM控制器之间增加了鹏滤波器^ft相放大器，并且锁相放大器利用,信号K^收到的检测控制信号^进行解调。本发明的成像系统
在保留基本的相位成像模式的功能的同时，可以对探针高次振动模式的振幅和相 位变化进行成像。这些离次振幅衬度像和高次相位衬度像可以更灵敏的反映样品 成份差异，并且可以在非接触模式下区分样品各部分的成像差异。
在本发明中的函数发生器依据波一成像模型
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产生多种频率成分的非正弦谐
波信号f。。
在本发明中,滤波器用于^收的非正弦谐波信号^迸行滤,率高于第
一个鄉频率y;的信号賴，从而翻繊信号K。
在本发明中锁相放大器利用自信号k x^收到的检测控制信号k进行解调 放大处理后分别输出採针振幅k、探针相位^。
本发明的一种适用于轻敲模式原子力显微镜的谐波m^成像系统优点在于
(1) 通过在afm mHKa器的自端接入函数发生器可以使探针同时在多个
共繊率下振动，提髙了afm辦品分析的灵纖。
(2) 通过在afm,^光电四象Wt收器之间接入锁相放大器,^^相放大器 利用基频信号^自收到的检测控制信号k2迸行解调放大处理后分别输出
探针振幅^和採针相位f; o该探针振幅^和探针相位p;增加了 afm ,
品成份成像功能。
(3) 函数发生器产生的激励信号为非正弦型周期函数。
(4) 本发明的谱波to成像系统可以两时裣测探针的两个振动频率的振幅和 相位，从而实现了样晶局域成份的成像。而传统原子力显微镜成像系统中 採针仅能工#*一个隨有频率的振幅和相位下，影响了成像的质量。
(5) 本发明的谐波*成像系统可以同时工作于非接触模式和半接触模式，而 原子力显微镜成像系统只能工作于半接触模式。
ifffii兑 M
图1是本发明的适用于轻i^M子力显麟的谐波繊成像系统的结构图。 图2是传统轻敲模式原子力显微镜的成像系统的结构图。图2 <A>是传统轻敲模式原子力显微镜的mil频率与输出振幅的关系图。 图3是本发明的谐波Wl成像系统中谐波M(频率与输出振幅的关系图。 图4是一幅典型的利用谐波激励成像系统得到的扫描图像。
具体实施例方式
本发明是一种适用于轻謝莫^f子力显微镜的谐波鹏成像系统，l种在轻
敲模式下使用谐波的叠加信号作为激励源，使用锁相放大Ht寻到探针运动的高次
谐波分量，并使用这些高次谐波分量的振幅和相位来获得更多信息和更高分辨率
的成像技术。
参见图i所示，本发明的一种适用于轻i5m^m子力显t^的谐波wi成像系
统，是在现有(传统)的轻謝莫鄉子力显微镜Jdt过增力,来^llf的功能，
即本发明的成像系统在保留基本的相位成像模式的功能的同时，可以对探针高次 振动模式的振幅和相位变化迸行成像。而这些离次振幅衬度像和髙次相位衬度像 可以更灵敏的反映样品成份差异,并且可以在非接触模式下区分样品各部分的成 像差异。为了实现对样品合上的样品成像，传统的轻敲模^H子力显i^至少应
该鄉有激光孤光电四^m^收器、纏微麵器、鐘翻器、扫描器和 样品合。
本发明是在《^的轻敲m^子力显微镜中增加了函数发生器、低通滤波器和
働目^C器三^T^件设备，函ma生器连接在AFM ^f"M器的TO信，入端 上，锁相放大器5i^在光电四象麟收駒AFM控f^之间，在函微生辭锁相
駄器之间串联有麟滤波器。
本发明的一种适用于轻敲模^ii子力显麟的谐波舰成像系统，其信号的连
接方式为
(1) 函^E生器输出的非正弦谐波信号FQ分别作用到 滤波器和AFM 綱器上；
(2) ^M滤波器,收的非正弦谐波信号K。进行滤^^率髙于第一个共搌频 率乂的信号分量，从而得到a^信号R输出繊相放大器；
5(3) AFM^TO器中的^h在非正弦谐波信号r。下进行振动，激光器产生
的^^焦到AFM ^* 器的悬自端，^|^的激光束被光电四象,收 收 糊出糊控制信号J^纖相放大器；
(4) 锁相J^C器利用a^信号^^^^l的检测控制信号K进行解调放大处 理后分别输出探针振幅^和探针相位^给AFM控制器；
(5) AFM^tlHa^针振幅^和探针相位r4来输出启动指令给扫描器进 行样品的三维成像。
本发明的一种适用于轻謝莫^子力显 的谐波 成像系统，增加的各器 件鄉的功能如下所述 (一)函般生器
所述函数发生器依据波
成像模
y = ^ COS
/>、 ,
! +a2cos
威、
2;r
+ a, cos
威
、2;r j
产生多种频率成分的谐波激励
信号K (WC为非正弦谐波信号K)
在波 一 成像模型y = q cos
+ <22COS
2龙
■ +《cos
M、
2;r
中各字
母的物理意义为",表示非正弦谐波信号^中的第一个频率分量的振幅，"2表 示非正弦谐波信号F。中的第二个频率分量的振幅，&表示非正弦谐波信号F。中
的第z个频率分量的振幅，y;表示第一个共振频率，f表示探测时间，a表示最 接近于第二个谐波指数^=4"的整数，/2表示第二个共振频率，x表示最接近
于任意一个谐波指数《=^的整数。
在本发明中，函数发生器选取安捷伦33250A型函数发生器。 (二)舰滤波器
所述低通滤波器用于对接收的非正弦谐波信号K进行滤,率髙于第一个共 振频率,的信号腫，从而得到繊信号「10
在本发明中，,滤波M^截ifcM^^tt为第一个共振频率,至第二个共振 频率/2之间的任意一，率力。(三)锁相放大器
在本发明中，锁相放大器工作于谐M^测方式。在该谐波检測方^件下，解
调频率设定为巧-^y;, x表示最接近于任意一个谐波指数^-4的整数，,表
力
示探针的第^个共振频率。
所述锁相放大器利用^M信号K对接收到的检测控制信号「2进行解调放大处 理后分别输出探针振幅K、探针相位K。
所述的探针振幅K是指激励探针运动在解调频率^下的振幅，简称探针振幅。
所述的探针相位K是指在同一解UI^率巧下检測控制信号^的相位,简称探 针相位。
在本发明中，锁相放大器选取Stanford SR-840锁相放大器。 . 在本发明中，安装有函^E生^v皿滤波H,相放大器的轻敲模式原子力
显微镜的谐波,成像系统，该谐波,成像系统的成像过程为
成像过程一'.初始化，获取AFM^iti&器的共振频率F-(X，/2,……,Z); 并利用共振頻率F-C/;,/2,……,/)与谐波指数关系^=4,(/ = 2,3,4,……)得到
不同^M频率下的整数谐波指数X;
其中，第一个共自率记为/;，第二个共振频率记为/2,……，第^个共振 频率记为7;,力也称为任意一个共振頻率。
通龠第一賴波指数为4"、第二个谐波指数为4"、……、第冲谐波指数 为4",但这些谐波指数都不是一个整数。因此，在末发明中，将最接近于任意
谱波指数《-;, ("2,3,4,……)的Hit记为x, X也称为《的整数谫波指数e
成像过程二函数发生器依据波一成像模型 、2;r j 、 2;r
"^cosl^" ，|+……+^cosKF产生非正弦谐波信号K。分别
、2^ ， 一 _
输出给鹏繊翻細微麵器;成像过程三AFM旨ifcli^非正弦谐波信号f;条件下振动，激光器产生 的光，焦到AFM探针TO器的悬臂顶端，^!t的激光皿光电四象,收l^ 收，从而光电四象限接收，出,控制信号^;
成像过程四:所述^M滤波器用于X^收的非正弦谐波信号^进行滤除,髙
^m—个共振频率y;的信号^M，从而#^1^^号^;
成像过as::首先设定锁相放大器工作，1^1方式，在该谐t^!l方式条
件下，解调频率设定为^;然后锁相放大器利用^ft号K繊收到的糊控
制信号^进行解调放大处理后分别输出探针振幅^、探针相位^;
成像过程六AFM控制器在探针振幅^、探针相位)^的控制下启动扫描器 进行扫描成像。
图4是一幅典型的利用谐波激励成像系统得到的扫描图像。样品为单晶硅片 上生长的tetrathiafulvalene孤岛，tetrathiafulvalene的分子式为 (H2C2S2C2)2，孤岛的高度为4个纳米。应用本发明的轻敲m^M子力显l^的谐 波 成像系1^行成1119描，^gffi^中AFM採针激励器的前两个共振频率 分别为173紐z和503极z ，整数谐波指数分别为1和3。函数发生^据波一 成像模型7 - cosf +0. lcosf，)产生非正弦谐波信号F。分别输出给低通滤
、2^
、2 r 乂
波器和AFMmhM器，AFMmhM自^正弦谐波信号^，下振动，激光 器产生的光棘焦到廳^HW器的悬臂顶端,鄉的激光鄉光电四象m^ ，收,从而光电四象IW^im出翻ail信号r2; !^m^^^用^W号K对
接收到fi翻控制信号K2謝沐调jfeMM后分别输出^f^幅「3 ^ 相位6 。 记录採针相位^形成扫描图像。从图4的扫描图象中可以清晰地看到 tetrathiafulvalene孤岛的颜色较浅，单晶硅片的颜色较深，从而较为清楚地分 辨出了样品中的硅与tetrathiafulvalene成分。
8
权利要求
1、一种适用于轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系统，其特征在于是在传统的轻敲模式原子力显微镜中增加了函数发生器、低通滤波器和锁相放大器，函数发生器连接在AFM探针激励器的激励信号输入端上，锁相放大器连接在光电四象限接收器与AFM控制器之间，在函数发生器与锁相放大器之间串联有低通滤波器；所述的函数发生器输出的非正弦谐波信号V0分别作用到低通滤波器和AFM探针激励器上；所述的低通滤波器对接收的非正弦谐波信号V0进行滤除频率高于第一个共振频率f1的信号分量，从而得到基频信号V1输出给锁相放大器；所述的AFM探针激励器中的探针在非正弦谐波信号V0下进行振动，激光器产生的光束聚焦到AFM探针激励器的悬臂顶端，反射的激光束被光电四象限接收器接收并输出检测控制信号V2给锁相放大器；所述的锁相放大器利用基频信号V1对接收到的检测控制信号V2进行解调放大处理后分别输出探针振幅V3和探针相位V4给AFM控制器；所述的AFM控制器根据探针振幅V3和探针相位V4来输出启动指令给扫描器进行样品的三维成像。
2、 根据权利要求1所述的适用于轻敲模，子力显i^的谐波激励成像系统，其特 征在乎函数发生器依据波一成像模型+......+《COS2龙产生多种频率成分的非正弦谐、2冗, 、波信号k ，在波一成像模型中各字母的物理意义为^^非正弦谐波信号^中的第一，率分量的振幅，^表示非正弦谐波信号F。中的第二个频率分量的振幅，ai綜非正弦谐波信号^中的第i顿率分量的振幅，y;表示第一个共振频率，《 表示採測时间，力表示最接近于第二个谐波指数^=4"的整数，/2表示第二个共振频率，x表示最接近于任意一顿波指数"-4的整数。《
3、根据权利要求1所述的适用于轻敲模,子力显微镜的谐波i^成像系统，其特 征在于锁相^C器工作预波麵方式，在该谐波鄉方絲件下，解调频率设定为^ = X义，^表示最接近于任意一个谐波指数K 的整数，,表示探针的第z'个 共振频率。
全文摘要
本发明公开了一种适用于轻敲模式原子力显微镜的谐波激励成像系统，其是在传统的轻敲模式原子力显微镜中增加了函数发生器、低通滤波器和锁相放大器，函数发生器连接在AFM探针激励器的激励信号输入端上，锁相放大器连接在光电四象限接收器与AFM控制器之间，在函数发生器与锁相放大器之间串联有低通滤波器。本发明谐波激励成像系统是一种在轻敲模式下使用谐波的叠加信号作为激励源，使用锁相放大器得到探针运动的高次谐波分量，并使用这些高次谐波分量的振幅和相位来获得更多信息和更高分辨率的成像技术。
文档编号G01N13/16GK101592583SQ20091008776
公开日2009年12月2日 申请日期2009年6月26日 优先权日2009年6月26日
发明者华宝成, 渊 李, 李英姿, 勇 杨, 钱建强 申请人:北京航空航天大学