专利名称：多频率原子力显微镜的制作方法
多频率原子力显微镜
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其他出版物
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背景技术：
0001为了方便，本说明书关注可以由基于悬臂的仪器原子力 显微镜(AFM)的特定实施例实现的系统和技术。基于悬臂的仪器包括 例如AFM、三维(3D)分子力探测仪器、高分辨率轮廓仪(包括机械 光针式轮廓仪)、表面改性仪器、化学或生物传感探测器和微致动装置。 此处说明的系统和技术可以由其他的基于悬臂的仪器实现。
0002AFM是基于根据相对于样本的表面扫描(例如光栅化)
在悬臂末端上的锋利探针所获得的信息而产生表面形貌图像(和/或其 他样本特性)的装置。形貌和/或表面的其他特征通过检测悬臂的偏转
和/或摆动特性的改变而被检测(例如，通过检测偏转、相位、频率等 的较小改变并且使用反馈使系统回到参考状态)。通过相对于样本扫 描探针，可以获得样本形貌的"地图"或其他样本特性。
0003悬臂偏转或摆动的改变通常通过光学杠杆布置而检测， 其中光束直接入射到在与光学杠杆相同的参考框架中的悬臂上。从悬 臂反射的光束照射到位置敏感探测器(PSD)。随着悬臂的偏转或摆动的改变，PSD上的反射点的位置改变，使得从PSD的输出改变。悬 臂的偏转或摆动的改变通常使得触发悬臂基座相对样本的竖直位置上 的改变(此处称为Z轴位置上的改变，其中Z通常与山样本定义的
xy平而i卜:交)，以便维持偏转或摆动为恒定的预置值。这就是迎常
用于生成AFM图像的这种反馈。
0004AFM可以运行在多种不同的样本特性模式中，包括接触
模式和AC模式，在接触模式中，悬臂的尖端恒定地接触样本表面，并
且在AC模式中，所述尖端不接触所述表面或仅间歇地接触该表面。0005致动器通常用在AFM中，例如光栅化探针或相对样本
表面改变悬臂基座的位置。致动器的目的是提供AFM的不同部分之 间的相对运动，例如在探针和样本之间的相对运动。为了不同的目的 和不同的结果，可以有用地致动样本、悬臂或所述尖端或它们中的部 分或全部的组合。传感器通常也用在AFM中。传感器用于检测运动、 位置或AFM的各种组件的其他属性，包括由致动器产生的运动。
0006为了说明的目的，除非特别说明，否则术语"致动器" 指将输入信号转换为物理运动的装置的宽阵列，包括压电激活的弯曲 部分、压电管、压电堆栈、块、双压电晶片、单压电晶片、线性电机、 电致伸縮致动器、静电电机、电容性电机、音圈致动器和磁致伸縮致 动器，并且术语"位置传感器"或"传感器"指将物理参数(例如位 移、速度或加速度)转换为一个或多个信号(例如电信号)的装置， 包括电容性传感器、电感性传感器(包括涡流传感器)、差分变压器
(如在共同未决的名为Linear Variable Differential Transformers for High Precision Position Measurements的申请US20020175677A1和 US20040075428A1 ，以及名为Linear Variable Differential Transformers with Digital Electronics的申请US20040056653A1，这些申请的全部内 容作为参考结合于此)、可变磁阻、光学干涉测量、光学偏转探测器
(包括上述的PSD以及在名为Apparatus and Method for Isolating and Measuring Movement in Metrology Apparatus的共同未决的申请 US20030209060A1和US20040079142A1的说明，这些申请的全部内 容作为参考结合于此)、张力计量器、压电传感器、磁致伸縮致动器 和电致伸縮传感器。0007在接触模式和AC样本特性模式下，光针和样本表而之间 的交互作用会对基于探针的工作参数引起可辨识的影响，例如悬臂偏 转、悬臂摆动振幅、相对于驱动摆动的驱动信号的悬臂摆动相位或悬 臂摆动频率，全部这些参数均可以通过传感器检测。这样，所导致的 传感器生成的信号被用作对Z致动器的反馈控制信号以维持指定的基 于探针的工作参数的恒定。
0008在接触模式中，指定的参数可以是悬臂偏转。在AC校 式中，指定的参数可以是摆动振幅、相位或频率。反馈信号同样提供 对感兴趣的样本特性的测量。例如，当在AC模式中指定的参数是摆 动振幅吋，反馈信号可以被用于维持悬臂摆动的振幅的恒定以测量样 本表面的高度的改变或测量其他样本特性。
0009AC模式中在尖端和样本之间的周期性相互作用引起更髙 频率的悬臂弯曲运动。这些相互作用的结果探查包括守恒和消耗的相 互作用的多个尖端和样本机械性质。Stark等人最先分析了作为尖端和 样本之间的非线性相互作用的更高频率的悬臂的弯曲响应。在他们的 实验中，他们探测了多个更高摆动频率处的振幅和相位并将这些信号 关联到样本的机械性质。
0010与初级物理课的拨动吉他弦不同，悬臂一般不具有落入 基频的谐波上的更高的摆动频率。样本驱动板悬臂的前三个模式例如 是基本共振频率(f。) 、 6.19f。和17.5 fo。例如Sarid撰写的悬臂机械学 方面的介绍性文章提供了更多细节。通过仔细设计悬臂质量分布，Sahin 等人开发了一系列悬臂，这些悬臂的更高模式落入基本共振频率的更 高谐波中。通过这么做，基于他们对样本表面的机械性质的仿真，他 们观察到以基本频率驱动的悬臂表现出增强的对比度。该方法具有的 缺点是需要高成本并且难以制造特殊的悬臂。
0011在一些非常早的工作中，Martin等人在两个频率上驱动 悬臂。更低的非共振频率的悬臂响应被用作反馈信号以控制表面跟踪 并产生表面的形貌图像。在更高频率处的响应被用于表征作者所描述 的图案化样本上的光致抗蚀剂和Si的上述非接触力的差。
0012目前，Rodriguez和Garcia出版了非接触的吸引模式技术 的理论仿真，其中悬臂以其两个最低的本征频率被驱动。在他们的仿
9攻-中，他们观察到第二模式的相位对被成像的材料的哈默克常数
(Hamaker constant)具有很强的依赖，意味着该技术可以用于提取关 于被成像的表而的化学信息。Crittenden等人研究了将更髙的谐波用于 类似的目的。
发明内容
0013悬臂是具有连续摆动模式的连续弯曲构件。名为多频率 原子力显微镜的本发明描述了用于在两个或多个悬臂摆动本征模式下 或两个或多个悬臂摆动本征模式附近同时驱动悬臂的不同设各和方法 并且在所产生的图像和测量中公开了有用的信息。
0014过去关于AC模式的AFM的工作已关注到悬臂中具有尖 端和样本之间的线性相互作用的更高摆动模式。然而，本发明集中在 尖端和样本之间的非线性相互作用，其耦合两个或多个不同悬臂摆动 模式之间的能量，其通常与线性相互作用保持独立。在两个或多个不 同摆动模式下观察悬臂的响应即使在纯线性相互作用的情况下也具有 一些优点。例如，如果悬臂与具有一定频率相关性质的样本相互作用， 则这本身可以显示为悬臂在不同摆动模式下的机械响应的差。
0015图1是用于探测悬臂的多个本征模式的优选实施例；
图2是用于在悬臂探针中激发基于电压的运动的设备； 图3是用于探测有源装置的配置；
图4是在具有和不具有被驱动的第二本征模式的基本本 征模式的相位和振幅位移；
图5是优选实施例所采用的胶原纤维的图像；
图6是用于第一和第二本征模式的振幅和相位的二维柱状图。
具体实施例方式
0016图1是根据本发明的用于探测悬臂的多个本征模式的设
10各的优选实施例的框图。样本1010置于悬臂探针1020下而。悬臂探 针的芯片1030山机械致动器1040驱动，该机械致动器1040优选为压 屯致动器，但也可使川本领域技术人员公知的其他方法来促使悬臂运 动。悬臂探针1030相对于显微镜的框架1050的运动由探测器1060测 量，该探测器1060可以是光学杠杆或木领域技术人员公知的其他方法。 悬臂探针1030迎过扫描设各1070而相对于样本1010移动，所述扫描 设各1070优选为压电/弯llll部分的组合，但也可使用本领域技术人员公 知的其他方法。
0017通过致动器1040给予悬臂芯片1030的运动由包括至少 两个频率合成器1080和10卯的激励电子装置控制。如果使用多于两 个的悬臂本征模式，则可以存在额外的合成器。来自这些频率合成器 的信号可以通过模拟电路元件1100而求和或优选地，通过执行相同功 能的数字电路元件来求和。两个频率合成器1080和IO卯分别提供参 考信号到锁相放大器1110和1120。在使用大于两个本征模式的情况下， 锁相放大器的数量也将增加。对于本设备中的其他电子组件，锁相放 大器1110和1120可以由模拟电路或数字电路或两者的混合构成。对 于数字锁相放大器， 一个感兴趣且有吸引力的特征是锁相分析可以针 对这两个本征模式在相同数据流上执行。这意味着相同的位置敏感探 测器和模数转换器可以用于在两个不同的本征模式中提取信息。
0018锁相放大器还可以替代平方根测量电路，其中悬臂摆动 的平方根振幅被用作反馈信号。图1中的设备可以进行多种变化以使 本领域技术人员用来提取关于应用在本发明中的不同本征模式的信 息。优选地，直接数字频率合成器(DDS)可以用于产生摆动电压的 正弦和余弦正交对(quadrature pair)，该正弦和余弦正交对中的每一个均 处于与感兴趣的悬臂探针1030的本征模式相匹配的频率。之后每个本 征模式的振幅和相位可以被测量并且用于由控制器1130计算的反馈回 路中或者被简单报告给用户界面1140，在此显示、存储和/或以离线模 式进一步处理本征模式的振幅和相位。替代或者除悬臂运动的振幅和 相位之外，这些正交对，通常指定为x和y，其可以与振幅和相位类似 的方式计算和使用。
0019在使用图1的设备的一个方法中，悬臂通过单个"震动"压被驱动在两个或多个共振下或两个或多个共振附近。工作在类似于
AC模式的方式下，其中悬臂振幅维持怛定并且用作反锁信号，但使用 本发明的教示，现在存在对反馏回路的多种选择。虽然此处的工作将 关注使用基木振幅(Ao)，但我们可以成功地想象使用更髙模式的振 幅(Ai)屮的一个作为反馈信号以及企部振幅Ao+AH"…的和。人们还 可以选择从该和中去除一个或多个模式。因此例如，使用三个模式， 第一模式和第二模式的和可以用于操作反馈回路而第三模式可以用作 携带(carry along)信号。
0020因为更髙的本征模式具有明显更高的动态稳定度，这些 模式的能量可以比较低的本征模式的能量大得多。
0021所述方法可以用于以一个经受净吸引力和另一个净排斥 力的弯曲模式来操作设备，以及以经受相同的吸引力或排斥力的净标 记(net sign)的每个模式操作。在此方式下，可以分离短程力和长程 力，提供关于样本性质的额外信息并且允许例如形貌和磁场或电场的 同时和独立的测量。
0022使用前述方法的一个优选技术如下。第一，在悬臂的共 振频率下或共振频率附近激励探针尖端，该悬臂具有足够小的自由振 幅Ak)以使悬臂在非接触模式下与表面相互作用；即相位p！将大于相 位pu)。在此模式下，悬臂不接触表面；该悬臂在与显著的排斥力相互 作用前周转。
0023第二，减小悬臂基座和样本表面之间的Z方向上的相对 距离以使得探针尖端A,的振幅受到样本表面的近端的影响并且建立 反馈回路，该反馈回路控制悬臂基座和样本表面之间的距离以使振幅 在扫描期间维持在基本的恒值。
0024第三，以相同值保持第一本征模式驱动和表面控制反馈
回路，以振幅A2激励悬臂的第二本征模式。增大A2直至第二本征模
式相位P2显示出悬臂本征模式与处于支配地位的排斥力相互作用；也
就是，自由第二本征模式相位P2小于P20。第二振幅A2不包括在反馈
回路中并且应该被允许在较大的数值范围内自由地取值。实际上，通
常较佳的情况是A2中的变化可以尽可能大，自由第二本征模式振幅在
O-Am的范圃内。0025第四，反馏振幅和相位A,和p,以及携带(carry along)
笫二本征校式振幅和相位应该被测贵和显示。
0026可选择地，第二频率的驱动振幅和/或相位可以被连续调 节以维持笫二振幅和/或相位在基本怛值。在此情况下，有用的是显示 和记录维持第二振幅和/或相位在基木恒值所需耍的驱动振幅和/或频 率。
0027用于使用前述方法的第二优选技术在上述第一优选技术 的第一、二歩之后继续以下两步
0028第三，以相同值保持第一本征模式驱动和表面控制反馈 回路，以振幅A2激励悬臂的第二本征模式(或谐波)。增大A2直至 第二本征模式相位p2显示出悬臂本征模式与处于支配地位的排斥力相 互作用；也就是，自由第二本征模式相位P2小于P2Q。此时，第二本征 模式振幅A2应该被调节以使得小于自由相位p1()的第一本征模式相位 p,处于支配地位。在此情况下，第二本征模式振幅A2的调节促使悬臂 的第一本征模式以排斥的方式与表面相互作用。通过第一优选技术，
第二振幅A2不用在尖端至表面距离反馈回路中并且应该被允许在多个
值上广泛地选取。
0029第四，反馈振幅和相位At和p!以及携带(carry along) 第二本征模式振幅和相位应该被测量和显示。
0030所述的任一优选技术均可以在使用图1设备的第二方法 中执行，其中摆动悬臂的相位用在反馈回路中，并且摆动频率变化以 维持相位基本恒定。在此情况下，优选使用摆动频率作为控制悬臂-样 本分离的Z反馈回路的输入。
0031例如振幅和相位的各种参数的相关改变或这些不同频率 下的悬臂的同相和正交分量还可以用于提取关于样本性质的信息。
0032使用前述方法的第三优选技术提供了对排斥模式下的传 统操作的可选择的方式，其中尖端经受净排斥力。这种操作的传统方 法是使用结合了较低设定点的较大振幅，并且使用具有非常锋利的尖 端的悬臂。然而，使用第三优选技术，操作者开始与第一、第二种技 术一样地通过选择足够小的基本本征模式的振幅和设定点来保证悬臂 经受吸引力，也就是，悬臂处于非接触模式。如前所述，这种操作模
13式可以迎过观察悬臂摆动的相位来识别。在非接触情况下，相位位移 为正，这意味着共振频率降低。逝过第一本征模式中的这些条件，第 二本征模式激励可以被引入并且振幅、驱动频率和设定点(如果可应 用的话)山以下考虑因素选择
1. 两个本征模式均处于吸引榄式下，也就是说两个模式的相位位
移均为正，这意味着两个本征模式频率均山尖端至样本的相互作/:IJ而
负向移动。 一般地，这需耍第二本征模式的较小的振幅。
2. 在第二本征模式处于尖端至样本相互作用使得该尖端在相对表 面定位吋处于吸引模式和排除模式的状态吋，基本本征模式始终具有 吸引力。
3. 基本本征模式处于吸引模式并且第二本征模式处于排斥模式。
4. 在不具有任何第二模式激励的情况下，第一本征模式在吸引模 式下与表面相互作用。在第二本征模式被激励后，第一本征模式处于 排斥模式下。这种改变由额外的第二本征模式能量促使。第二本征能 量处于尖端至样本相互作用使得该尖端被吸引和/或被排斥的状态下。
5. 第一本征模式处于排斥模式并且第二模式处于排斥模式下。0033由第二模式激励促使的第一模式响应从吸引模式到排斥
模式的转变在图4中说明，其中第一和第二模式的振幅和相位被绘制 为悬臂的基座和样本表面之间的距离的函数。悬臂尖端开始明显与表 面相互作用的点由实线4000表示。在图4下半部分中的两条曲线示出 了随着悬臂开始与表面相互作用而减小悬臂的基本振幅4010并且相关 相位4020示出了正向位移，与全部吸引的相互作用一致。对于这些曲 线，第二模式不被激励并且因此第二模式振幅为零并且振幅和相位未 示出。当第二模式被激励时，第二模式振幅4030和相位4040被绘制 在图4的上半部分中。第二模式的激励引发基本模式振幅4050中的明 显改变，并且更显著地改变在于基本模式相位4060。基本模式相位4060
实际上示出了短暂的正向偏移，但之后转变到负向相位位移，这表示 尖端和样本之间的总体的排斥的相互作用。第一模式的自由振幅4050
实质上在两种情况下等同，测量中的唯一区别是激励更高摆动模式的 额外的能量。这种激励足以驱动基本模式与样本表面进行总体的排斥 的相互作用。第二模式的相位曲线表示还与样本表面进行总体的排斥的相互作用。
0034还可以设想更复杂的反饿设计。例如， 一个本征模式信号 可以用于形貌反馈，同吋其他信号可以用在其他反馈回路中。 一个示
在基本恒值而不是允许A2在多个值上自由选取。类似的反馈回路可以
用于在A2上的反馏回路被实施或不实施的情况下保持第二频率驱动p2 的相位在预定值。
0035作为可以使用的反馏的另一种类型的另一个示例，Q控制 还可以结合使用前述方法的任何技术而使用。在所应用的任意模式或 全部模式上使用Q控制可以增强所述模式对尖端-样本力的灵敏度并且 因此增强样本的机械或其他性质。Q控制还可以用于改变所用模式的 响应吋间，这对于更快成像样本是有利的。例如， 一个模式的Q值可 以增大而另一个模式的值减小。这可以增强混合吸引/排斥模式成像的 结果，因为在具有减小的Q值的排斥模式中或者相反在具有增大的Q 值的吸引模式中一般更易于保持一个本征模式与样本的相互作用。通 过减小最低模式的Q值并增大下一模式的Q值，可以激励悬臂的混合 模式操作；零模式将处于排斥模式，同时第一模式将更可能保持在吸 引模式。Q控制可以使用模拟、数字或混合模数电子器件来实现。可 以使用例如在安信伦研究科技有限公司(Asylum Research Corporation) MFP-3D控制器中的集成控制系统完成或通过例如nanoAnalytics的 Q-box的销售后市场模块完成。
0036除了在多于一个的本征模式下或多于一个的本征模式附近 驱动悬臂，还可以在一个或多个谐波和/或一个或多个本征模式下或其 附近激励悬臂。已知的是在尖端和样本之间非线性相互作用可以将能 量传递到悬臂谐波。在一些情况下，这种能量传递可以很大但其通常 非常小，为小于本征模式中的能量的百分之一的数量级。因此，即使 在存在明显非线性耦合的情况下，谐波下运动的振幅通常也非常小。 使用此处所述的方法，可以通过在谐波的频率下直接驱动悬臂而增强 这些谐波的对比。为了进一步增强该成像技术的对比，有用的是相对 于更低频率驱动的相位调节更高频率驱动的相位。该方法提高了传统 悬臂和Sahin等人说明的特定设计的"谐波"悬臂。
10037基于许多样本，本发明成像的结果类似于传统相位成像的 结果，并且在一些情况下，优于传统相位成像的结果。然而，虽然相 位成像通常需耍设定点和驱动振幅的明智的选择以最大化相位对比， 但本发明的方法在更宽范围的成像参数上具有高对比。此外，本方法 还适用于流体和真空以及空气屮，并且即使在之前使用更为传统的技 术成像过多次的例如DNA和细胞等样木上，更髙弯曲模式也显示了在 这些环境中出乎意料的并且令人兴奋的对比。
0038本发明成像的出色结果可以从图像的检查中看出。图5 示出了一个示例。在该示例中，图1中的设备使用基本本征模式振幅 作为误差信号并且使用第二本征模式作为激励(cany along)信号而操 作。图5中的形貌图像5010显示了传统AC模式对类似样本的典型图 像结果的玻璃表面上的胶原纤维。基本本征模式振幅图像5020比较地 类似，与用于反馈回路中的基本本征模式振幅一致。基本本征模式相 位通道图像5030显示了相应于形貌图像中的边缘的一些对比。再次如 表面能量考虑所期望的(近端更大的区域将具有更大长程吸引力)， 这与这些区域中更吸引的相互作用一致。由于基本本征模式振幅被保 持相对恒定并且振幅和相位之间存在关系，则相位将被限制，服从能 量平衡和被操作以保持振幅恒定的反馈回路。第二本征模式振幅图像 5040显示了类似于基本本征模式相位图像5030的对比。然而，存在一 些差别，尤其在被认为是污染物5041和5042的区域上。最终，第二 本征模式相位图像5050显示了最惊人的大量对比。背景衬底5053显 示了明亮的正相位对比。假定的污染物斑点5041、 5042和5051显示 了显著的黑暗、负相位位移对比。最终，悬浮胶原纤维的区域5052显 示出黑暗、负相位对比。在这些区域中，悬浮的胶原纤维被假定吸收 第二本征模式振幅的一些摆动能量并且因此改变了响应。
0039当AFM操作在具有相位探测的传统AC模式下时，悬臂 振幅被维持恒定并且被用作反馈信号。因此，用在回路中的信号值不 仅被能量平衡限制也被反馈回路限制。此外，如果悬臂的振幅受限， 则相位将受限。在传统的AC模式中，振幅基于回路增益的变化量通 常非常小。这意味着即使样本的机械性质可能导致增大耗散或悬臂的 频率偏离，Z反馈回路部分校正对比中的这些改变并因此在此情况下，避免向用户呈现该对比。
0040如染使用本发明的技术涉及被激励但不用在反饿回路中的 模式，则该模式的行为将不受明确限制。取而代之，该模式将在振幅 和相位的多个值上自山取值，仅受能量平衡的限制。也就是说，用于 激励悬臂运动的能量必须通过在尖端-样本相互作用和悬臂的固有耗散 中损失的能量来平衡。这可以说明我们在由木发明的技术产生的图像 中观察的增强的对比。
0041图6对这种思想进行了更详细的说明。第一图像6010是 具有图5的胶原样本的基本本征模式数据中在不同振幅(水平轴线) 和相位(竖直轴线)处的像素数量的图像。如期望，振幅值通过Z反 馈回路被限制到约0.6Amax的较窄范围。限制振幅值反过来限制相位 值可以在25°左右的较窄范围内取值。因此，当计数被绘图时，存在 仅具有较小变化的亮点6020。小变化反过来意味着受限的对比。第二 图像6030绘制处于胶原样本的第二本征模式的不同振幅和相位下的像 素数量。此处，本征模式不受反馈回路限制并且从约Amax变化至接 近零。类似地，相位在多个值上取值。这种自由度允许极大地增大第 二本征模式图像的对比。
0042本发明还可以用在不通过压电致动器激励悬臂运动的设备 中。这些设备可以包括悬臂的直接电驱动("有源悬臂")、磁致动 配置、超声激励、扫描开尔文(Kelvin)探针和静电致动配置。
0043使用本发明的悬臂的直接电驱动("有源悬臂")与传统 的压电力显微镜相比具有一些优点，其中显微镜一般以对比模式扫描 样本并且悬臂电压以某种方式调制以激发反过来使悬臂摆动的样本运 动。
0044图2是使用本发明的具有有源悬臂的设备的优选实施例的 框图。该设备与图1中所示类似，也与图1有区别。在图2的设备中， 类似于图1中的设备， 一个频率源1080用于通过机械致动器1040激 励悬臂探针1020的运动，优选通过压电致动器激励，但也可使用本领 域技术人员公知的其他方法来引发悬臂运动，这些方法驱动悬臂探针 1020的芯片1030。然而，在图2的设备中，频率源1080与致动器1040 直接通信2010而不是如图1的设备那样地与第二频率源1090求和。图2设各屮的第二频率源10卯用于改变悬臂探针1020的电势，这反 过来使得样本1010在不同木征模式下激励悬臂探针1020的运动而不 是由第一振荡器1080激励。与样本1010相互作用的悬臂探针1020导 致的运动将包含关于样本形貌和山第一频率源1080激励的本征模式下 的其他性质的信息以及关于由第二频率10卯激励的本征模式下的样木 的lli压相关性质的信息。样本支持物2030可以选择性地保持在某电势 或接地以增强作用。
0045在使用图2设备的一个方法中，在第一源1080的频率下 的悬臂的振幅被用作误差信号。在第二源IO卯或其谐波的频率下的振 幅和相位(或同相和正交分量)将包含关于样本运动的信息以及样本 的电压相关性质。这些性质的一个示例是样本的压电响应。
(J046图3是用于将本发明的设备与调制改变表面性质的磁场的 第二频率源一起使用的优选实施例的框图。在图3的设备中，第一频 率源1080的情况等同于图2中设备的情况。取代如图2设备的用于改 变悬臂探针1020的电势的第二频率源IO卯的是，在图3的设备中， 第二频率源IO卯通过激励线圈3010调制电流，这反过来调制磁性电 路元件3020的磁性状态。这种元件可以用于调制有源样本3030 (未示 出)或激励线圈3010附近的场并且磁性电路元件3020可以包括例如 磁性记录头的样本。
0047图3的设备可以用于任意其他类型的"有源"样本，其中 悬臂和样本之间的相互作用可以在一个或多个悬臂弯曲共振下或一个 或多个悬臂弯曲共振附近通过频率源1080或IO卯中的一者而调制。 这还可以被扩展到髙频测量，例如在Proksch等人的Appl. Phus. Lett. Vol.(1999)中的说明。取代在该论文中说明的调制的是，高频载波的包 络线可以由一个或多个弯曲共振的谐波而驱动。测量信号而不是测量 形貌的该方法具有的优点是仅需要一个通路来完成，这与"升高模式" 或修整模式相反，"升髙模式"或修整模式需要形貌和其他信号的空 间分离的测量。
0048使用本发明的设备和方法的优选实施例的另一个示例来自 超声力显微镜的领域。在本实施例中，高频载波是振幅调制的并且用 于直接驱动样本或使用悬臂作为波导而驱动样本。悬臂偏离提供了在载波频率下样本响应的检波后的测量。
0049本实施例类似于传统力调制技术，其中悬臂通常操作在接 触模式中。然而，如其他接触模式技术，力调制技术具有的缺点是在 尖端和样本之间作用的力可以非常显著，迎常导致对尖端或样本的损 坏并且降低了空间分辨率。
0050然而，因为此处说明的超声力实施例是AC成像方法，所 以与接触模式技术想比，对尖端和/或样本的损坏被显著降低。因此， 一个或多个本征模式被用于Z反馈回路，替代接触模式反馈回路，并 且一个或多个额外的本征模式可以用于测量样本的高频性质。
例。本发明的范'围不被限制到i些实施例。在不背离本^明的精神和 范围的情况下，本领域技术人员可以设计出多种并且大量的其他配置。
权利要求
1. 一种操作原子力显微镜的方法，包括以自由振幅A10在悬臂的共振频率下或共振频率附近激励该悬臂的探针尖端，所述自由振幅A10足够小以使得所述悬臂将在不接触的情况下与样本表面相互作用；减小所述悬臂的基座和所述样本表面之间Z方向上的相对距离以使得所检测到的所述悬臂的第一本征模式的振幅A1受所述样本表面近端的影响；使用反馈回路来控制所述悬臂的基座和所述样本表面之间的距离以使得当通过在所述悬臂的探针尖端和所述样本之间形成相对移动而扫描所述样本时，所述悬臂的第一本征模式的振幅A1维持在基本恒值；以振幅A2在所述悬臂的第二本征模式下或第二本征模式附近激励所述悬臂的探针尖端，同时保持第一本征模式驱动和所述反馈回路为相同值；调节所检测到的所述悬臂的所述第二本征模式的振幅A2直至所述振幅表示所述第二本征模式以处于支配地位的排斥力与所述样本表面相互作用；允许所述悬臂的所述第二本征模式的振幅A2在较大数值范围内变化，同时不包括作为所述反馈回路的输入的所述振幅；以及测量所述悬臂的第一本征模式和第二本征模式的振幅和相位。
2. 根据权利要求1所述的方法，该方法包括 显示测量到的所述悬臂的所述第一本征模式和所述第二本征模式的振幅和相位。
全文摘要
公开了一种用于提取原子力显微镜中和相关的MEMs工作中摆动悬臂或其他摆动传感器中的承载在更高本征模式或谐波中的信息的设备和技术。
文档编号B23Q17/09GK101472708SQ200680055102
公开日2009年7月1日 申请日期2006年12月6日 优先权日2006年4月25日
发明者R·普若克斯 申请人:额塞勒姆研究公司