一种激光检测式四探针原子力显微镜的制作方法

本发明涉及原子力显微镜技术领域，尤其涉及一种激光检测式四探针原子力显微镜。

背景技术：

原子力显微镜(atomicforcemicroscope，afm)是微纳尺度形貌表征、物性测量及微纳操作的重要工具。原子力显微镜的光路结构中包括探针针尖和微悬臂，探针针尖固定在微悬臂上，探针尖端的原子与被测样品表面的原子间存在相互作用力，该相互作用力随两原子间的距离的变化而变化，且该相互作用力会引起微悬臂形变，以该形变量为反馈，通过调整探针的上下运动来控制探针尖端的原子与被测样品表面的原子间的距离不变，移动探针使其在被测样品的表面上运动，探针的行走轨迹可代表样品的三维形貌信息。

原子力显微镜根据检测机制的不同，分为自检测和激光检测两类，自检测采用自检测元件(自检测探针)来实现；激光检测利用光杠杆检测方法，检测灵敏度高，无需集成自检测元件，对探针的要求低，不仅能兼容普通的硅制探针，还能兼容功能化探针，比如热电偶、磁学探针等，选择性广。

现有的激光检测式原子力显微镜仅支持双探针配置方式，当采用这种配置方式测量电学输运性质时，针尖与被测样品间的接触电阻较大，不可忽略，需多次改变探针间距后，再经过数据拟合提取出被测样品本征电阻率，较为繁琐，降低了检测效率。

技术实现要素：

基于以上所述，本发明的目的在于提供一种激光检测式四探针原子力显微镜，以解决现有的激光检测式双探针原子力显微镜测量电学输运性质时针尖与被测样品间的接触电阻较大、操作步骤繁琐、检测效率低的问题。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种激光检测式四探针原子力显微镜，包括：

第一激光组件，其包括第一激光器，所述第一激光器用于发射第一激光；

第二激光组件，其包括第二激光器，所述第二激光器用于发射第二激光，所述第一激光与所述第二激光的方向不同；

第一探针组件，其包括第一探针，所述第一探针包括第一微悬臂；

第二探针组件，其包括第二探针，所述第二探针包括第二微悬臂；

光学组件，所述光学组件能够使所述第一激光聚焦于所述第一微悬臂上，且能够使所述第二激光聚焦于所述第二微悬臂上；

所述第一激光组件、所述第二激光组件、所述第一探针组件和所述第二探针组件的数量均为两组。

进一步地，所述光学组件包括刀口棱镜、物镜分束镜和物镜，所述第一激光依次经所述刀口棱镜和所述物镜分束镜的反射进入所述物镜中，并经所述物镜的折射聚焦于所述第一微悬臂上。

进一步地，所述第二激光组件还包括激光分束镜，所述第二激光依次经所述激光分束镜、所述刀口棱镜和所述物镜分束镜的反射进入所述物镜中，并经所述物镜的折射聚焦于所述第二微悬臂上。

进一步地，还包括倒置的样品台组件，所述样品台组件用于定位被测样品。

进一步地，所述样品台组件包括基座和固定于所述基座上的样品定位台，所述样品定位台位于所述基座下方，所述样品定位台用于定位所述被测样品。

进一步地，所述样品定位台包括三维纳米定位台和水平微米定位台，所述三维纳米定位台安装在所述基座上，所述三维纳米定位台被配置为能够在三维空间运动，所述水平微米定位台安装于所述三维纳米定位台上，所述水平微米定位台被配置为能够在水平面上运动。

进一步地，还包括支撑组件和升降组件，所述升降组件用于调节所述支撑组件与所述样品台组件的距离及倾斜角度。

进一步地，所述升降组件包括螺杆和第一连接件，所述第一连接件固定于所述基座上，所述第一连接件具有凹槽，所述螺杆具有第一端，所述第一端呈半球形，所述第一端设置于所述凹槽内。

进一步地，还包括光学视觉模块，所述光学组件还包括物镜反光镜，所述光学视觉模块通过所述物镜反光镜得到所述被测样品、所述第一探针和所述第二探针的显微光学视图。

进一步地，还包括四组光电接收组件，其中两组所述光电接收组件与两组所述第一探针组件一一对应设置，另两组所述光电接收组件与两组所述第二探针组件一一对应设置。

本发明的有益效果为：

本发明采用四组探针组件，针尖与被测样品间的接触电阻变小，消除了接触电阻对被测样品本征电阻率的影响，且可以通过一次测量便可获得被测样品的本征电学性质；每组探针组件可以选用不同功能的探针，比如热电偶、电学探针等，实现对被测样品同一区域热、电等多物理场性质的同步表征；两组第一激光组件和两组第二激光组件均共用一组光学组件，结构紧凑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是本发明具体实施方式提供的激光检测式四探针原子力显微镜的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的样品台组件的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式提供的检测模块的部分结构示意图；

图4是本发明具体实施方式提供的激光检测式四探针原子力显微镜的光路示意图；

图5是本实施方式提供的探针的切割示意图；

图6是图5中a部分的局部放大图。

图中：

11-第一激光组件；12-第二激光组件；13-第一探针组件；14-第二探针组件；15-光学组件；16-样品台组件；17-被测样品；18-支撑组件；19-升降组件；20-光电接收组件；21-光学视觉模块；

100-探针基座；101-探针针尖；

111-第一激光器；112-第一激光；113-第一调节架；121-第二激光器；122-第二激光；123-激光分束镜；131-第一微悬臂；132-第一夹持件；133-第一探针定位台；141-第二夹持件；142-第二探针定位台；151-刀口棱镜；152-物镜分束镜；153-物镜；154-物镜反光镜；161-基座；162-样品定位台；181-第一支撑板；182-第二支撑板；183-第一支撑柱；184-底座；185-第二支撑柱；191-螺杆；192-第一连接件；193-第二连接件；201-光电探测器；202-调节件；

1331-第一探针纳米定位台；1332-第一z轴微米定位台；1333-第一探针水平微米定位台；1621-三维纳米定位台；1622-水平微米定位台；1921-凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

如图1-图6所示，本实施方式提供一种激光检测式四探针原子力显微镜，该激光检测式四探针原子力显微镜包括检测模块和样品台模块，检测模块用于检测激光的变化，以得到被测样品17的物理场性质和形貌信息，样品台模块用于定位被测样品17和支撑检测模块。

如图1所示，样品台模块包括支撑组件18，支撑组件18用于支撑其他模块。具体地，支撑组件18包括第一支撑板181和第二支撑板182，第一支撑板181位于第二支撑板182上方，第一支撑板181和第二支撑板182通过第一支撑柱183连接。进一步地，第一支撑柱183的数量为三个，均匀分布于第二支撑板182上。但是，本实施方式中对于第一支撑柱183的数量不作限定，只要能够起到连接作用和加强连接强度即可。

进一步地，支撑组件18还包括底座184，底座184位于第二支撑板182下方，第二支撑板182和底座184通过第二支撑柱185连接。进一步地，第二支撑柱185的数量为三个，均匀分布于底座184上。但是，本实施方式中对于第二支撑柱185的数量不作限定，只要能够起到连接作用和加强连接强度即可。

支撑组件18将空间分成了三层，即包括第一空间、第二空间和第三空间，第一空间为第一支撑板181上方的空间，第二空间为第一支撑板181和第二支撑板182之间的空间，第三空间为第二支撑板182与底座184之间的空间，采用这种隔层式的设置，增加了支撑强度，且合理利用了空间。

如图1和图2所示，样品台模块还包括倒置的样品台组件16，样品台组件16用于定位被测样品17，且样品台组件16位于第一空间内。样品台组件16采用倒置的方式，便于更换被测样品17。

进一步地，样品台组件16包括基座161和固定于基座161上的样品定位台162，样品定位台162位于基座161下方，样品定位台162用于定位被测样品17。

具体地，样品定位台162包括三维纳米定位台1621和水平微米定位台1622，三维纳米定位台1621安装于基座161上，水平微米定位台1622安装于三维纳米定位台1621上，水平微米定位台1622上定位有被测样品17。

三维纳米定位台1621被配置为能够在三维空间运动，三维纳米定位台1621负责被测样品17高精度小行程(<100微米)的运动。本实施方式中，对于三维纳米定位台1621在三维空间运动的实现方式不作限定，只要是能够带动三维纳米定位台1621在三维空间运动即可。优选地，可以设置x轴基座、y轴基座和z轴基座，x轴基座固定基座161上，y轴基座沿x轴基座滑动，z轴基座沿y轴基座滑动，z轴基座上固定该三维纳米定位台1621。

水平微米定位台1622被配置为能够在水平面上运动，水平微米定位台1622负责被测样品17大行程的运动。三维纳米定位台1621和水平微米定位台1622相互配合能够实现毫米尺寸纳米精度的样品定位。本实施方式中，对于水平微米定位台1622在水平面运动的实现方式不作限定，只要是能够带动水平微米定位台1622在水平面运动即可。优选地，可以设置x轴基座和y轴基座，x轴基座固定三维纳米定位台1621上，y轴基座沿x轴基座滑动，y轴基座上固定该水平微米定位台1622。

样品台模块还包括升降组件19，通过升降组件19将样品台组件16与第一支撑板181连接，且升降组件19能够调节样品台组件16相对于第一支撑板181的距离及倾斜角度。

进一步地，升降组件19包括螺杆191，螺杆191具有第一端和第二端，第一端与基座161连接，第二端与支撑组件18连接。

具体地，升降组件19还包括第一连接件192，第一连接件192固定于基座161上，第一连接件192具有凹槽1921，第一端呈半球形，第一端设置于凹槽1921内。呈半球形的第一端与凹槽1921符合精密运动学约束，提高了约束的精度。这样的设置使得样品台组件16与支撑组件18分离，便于被测样品17的安装调整，定位误差可达微米级别。

对应地，升降组件19还包括第二连接件193，第二连接件193固定在第一支撑板181上，螺杆191的第二端与第二连接件193连接。通过螺杆191的转动，使得样品台组件16沿竖直方向运动以达到调整的目的。

优选地，升降组件19的数量为三组，在第一支撑板181上呈等边三角形分布。但是，本实施方式中对于升降组件19的数量不作限定，只要能够起到升降作用和加强连接强度即可。进一步地，凹槽1921为v型槽和/或半圆锥槽。但是，本实施方式不对凹槽1921的形状作限定，只要能够使得第一端与凹槽1921符合精密运动学约束即可。

如图1和图3所示，检测模块包括第一探针组件13和第二探针组件14，第一探针组件13和第二探针组件14用于和被测样品17的表面产生相互作用力，以获取被测样品17的形貌和物理场信息。第一探针组件13和第二探针组件14均位于第一空间内，且第一探针组件13和第二探针组件14位于样品台组件16和第一支撑板181之间。

检测模块还包括第一激光组件11和第二激光组件12，第一激光组件11和第二激光组件12用于发射激光。第一激光组件11和第二激光组件12均位于第三空间内。

检测模块包括第一检测模块、第二检测模块和光学组件15，第一检测模块包括两组第一检测组件，两组第一检测组件相对设置。每组第一检测组件包括第一激光组件11和第一探针组件13，第一激光组件11包括第一激光器111，第一激光器111用于发射第一激光112，第一探针组件13包括第一探针，第一探针包括第一微悬臂131和第一探针针尖，第一探针针尖固定在第一微悬臂131上。

相应地，第二检测模块包括两组第二检测组件，两组第二检测组件相对设置。第二检测组件包括第二激光组件12和第二探针组件14，第二激光组件12包括第二激光器121，第二激光器121用于发射第二激光122，第二探针组件14包括第二探针，第二探针包括第二微悬臂和第二探针针尖，第二探针针尖固定在第二微悬臂上。第一检测模块和第二检测模块共用一组光学组件15，光学组件15能够使第一激光112聚焦于第一微悬臂131上，且能够使第二激光122聚焦于第二微悬臂上。也就是说，检测模块包括四组激光组件和四组探针组件，且激光组件和探针组件一一对应设置。具体地，四组探针组件均位于第一支撑板181上方。

本实施方式提供的激光检测式四探针原子力显微镜采用四组探针组件，探针的针尖与被测样品17间的接触电阻变小，消除了接触电阻对被测样品17的本征电阻率的影响，且可以通过一次测量便可获得被测样品17的本征电学性质；每组探针组件可以选用不同功能的探针，比如热电偶、电学探针等，实现对被测样品17同一区域热、电等多物理场性质的同步表征；两组第一激光组件11和两组第二激光组件12均共用一组光学组件15，结构紧凑。

具体地，第一检测模块和第二检测模块交错布置，以使第一激光112与第二激光122的方向不同。优选地，四个探针呈“十”字形分布，但是，本实施方式中，对于第一检测模块和第二检测模块的具体安装位置不作限定，只要能够检测四束激光的变化以得到被测样品17的物理场性质和形貌信息即可。

如图1和图4所示，光学组件15包括刀口棱镜151、物镜分束镜152和物镜153，第一激光112依次经刀口棱镜151和物镜分束镜152的反射进入物镜153中，并经物镜153的折射聚焦于第一微悬臂131上。

进一步地，第二激光组件12还包括激光分束镜123，第二激光122依次经激光分束镜123、刀口棱镜151和物镜分束镜152的反射进入物镜153中，并经物镜153的折射聚焦于第二微悬臂上。

检测模块还包括光电接收组件20，每组探针组件对应一组光电接收组件20。每束聚焦于探针上的激光经过反射进入光电接收组件20，光电接收组件20能够检测激光的变化。由于四组探针组件的安装角度不同，四束反射光束能一一分开，使其四光路相互独立，且不会发生干涉。

具体地，光电接收组件20包括光电探测器201，每束聚焦于探针上的激光经过反射进入光电探测器201中，光电探测器201能够检测激光的变化。可选地，光电探测器201可以放置在探针和物镜153之间，也可以位于物镜153的外边，本实施方式中，对光电探测器201的位置不作限定，只要能够检测激光的变化即可。

进一步地，光电接收组件20还包括调节件202，调节件202安装于第二支撑板182上，光电探测器201安装于调节件202上。通过调整调节件202的角度进而调整光电探测器201的角度。

如图1所示，第一激光组件11还包括第一调节架113，第一激光器111固定于第一调节架113上，第一调节架113固定于底座184上。对应地，第二激光组件12还包括第二调节架，第二激光器121固定于第二调节架上，第二调节架固定于底座184上。

进一步地，第一探针组件13还包括第一夹持件132，第一微悬臂131固定于第一夹持件132上。相应地，第二探针组件14还包括第二夹持件141，第二微悬臂固定于第二夹持件141上。

进一步地，第一探针组件13还包括第一探针定位台133，第一探针定位台133用于定位探针。具体地，第一探针定位台133包括第一探针纳米定位台1331、第一z轴微米定位台1332和第一探针水平微米定位台1333，第一探针水平微米定位台1333安装于第一支撑板181上，第一探针水平微米定位台1333能够在水平面内运动，运动精度可达微米级别；第一z轴微米定位台1332安装于第一探针水平微米定位台1333上，且能够跟随第一探针水平微米定位台1333一起运动，第一z轴微米定位台1332能够沿z轴(本实施方式中，z轴方向指的是竖直方向)运动，运动精度可达微米级别；第一探针纳米定位台1331安装于第一z轴微米定位台1332上，第一探针安装于第一探针纳米定位台1331上，第一探针纳米定位台1331的运动精度可达纳米级别，通过调整第一探针定位台133可以调整第一探针和被测样品17的相对位置，以方便获取被测样品17的相关信息。

相应地，第二探针组件14也包括第二探针定位台142，第二探针定位台142的结构与第一探针定位台133的结构相同，在此不一一赘述。

需要注意的是，为了使四组探针组件能够互不干涉，且结构紧凑，若现有的探针不能满足需求，则可对探针进行改动后再使用。现有的探针存在两方面的问题：第一，探针针尖101不在微悬臂的最前端；第二，探针基座100过大，四个微悬臂无法靠近，四组探针组件之间形成干涉。如图1和图5所示，对于探针基座100过大的问题，可通过用聚焦离子束等微加工工艺或激光精密切割技术来切割探针基座100，使其满足要求，具体的切割方式和切割区域要视实际情况而定。如图1和图6所示，对于探针针尖101不在微悬臂的最前端的问题，需要选择探针针尖101向前伸出的探针，或者用聚焦离子束切割探针针尖101，使其满足要求，具体的切割方式和切割区域要视实际情况而定。

如图1所示，本实施方式提供一种激光检测式四探针原子力显微镜还包括光学视觉模块21，光学组件15还包括物镜反光镜154，光学视觉模块21通过物镜反光镜154得到被测样品17和四个探针的显微光学视图。该光学视觉模块21与检测模块分离，提高了激光光路的稳定性。具体地，物镜反光镜154位于物镜分束镜152的下方，便于将激光和探针的变化实时反馈给光学视觉模块21。优选地，该光学视觉模块21为navitar公司的变焦变倍系统，无限远光学系统设计，且物镜反光镜154不会影响该变焦变倍系统的使用。该光学视觉模块21可变倍数，当探针位置定位及调整时，放大倍数低，而当探针位置调整完毕后倍数放大，以精细调节探针与被测样品17的相对位置。该光学视觉模块21可变焦距，可辅助探针逼近被测样品17时调节显微镜的聚焦平面。

注意，上述仅为本发明的较佳实施方式及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施方式，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施方式对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施方式，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施方式，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。