一种双探针原子力显微镜快速逼近装置及方法与流程

本发明涉及微纳米区域物性测量及操控技术领域，尤其涉及一种基于激光检测式的双探针原子力显微镜快速逼近装置及方法。

背景技术：

微纳米技术尺度范围为1nm-100nm，在该尺度范围进行物性测量及操控需要特定的观测及操控手段才能进行，原子力显微镜(AFM)由于其高分辨率、制样简单、适用于不同环境等优点，应用最为广泛。

但是，传统的原子力显微镜仅仅具有一个探针，功能十分受限，因此，为了扩大其应用可能性，目前多采用双探针原子力显微镜。其中，双探针可形成纳米镊子，实现传统单探针很难做到的三维空间内操控纳米物体；双探针还可充当两电极，对任意基底表面的样品实现微纳尺度的电学性质表征，也可某一探针实现电学偏压刺激，而另一探针检测该刺激下引起的形貌、电位等响应变化，建立样品的激励-响应关系；另外在生物领域，可使用生化抗体表征后的功能化探针作为激励，另一探针研究细胞的抗体应答反应导致的形貌、表面硬度等变化。目前，实现双探针原子力显微镜采用的位移检测技术有多种，其中激光检测方法由于其较高的检测灵敏度，且能兼容市面上商业化的普通硅制探针，选择性最广的优点，包括可集成新型的功能化探针比如热电偶、磁学探针，因而基于激光检测方法的双探针原子力显微镜功能将最为强大，可拓展性最强。

双探针原子力显微镜工作的首要步骤为两探针的逼近，即调整两探针的位置，使得两探针慢慢均接触样品表面。但是，目前激光检测式双探针原子力显微镜在探针逼近过程中，激光光斑位置会逐渐偏移出探针悬臂梁，因此需要多次调整激光器位置，所以导致整个逼近过程激光调整非常繁琐、费事。如目前双探针原子力显微镜常用的光路配置主要为激光斜入射光路配置与激光侧入射光路配置。如图1所示，当激光斜入射光路配置时，探针Z轴往下运动时(ΔZ)，激光光斑会沿着探针长轴方向渐渐往外偏移(ΔL)，其往外速度接近于Z轴运动速度。如图2所示，激光侧入射光路配置时，探针Z轴往下运动时(ΔZ)，激光光斑会沿着探针短轴方向渐渐往外(ΔW)，其速度虽然小于Z轴运动速度，但探针悬臂梁宽度较小，容许光斑沿短轴方向运动行程很小。因而，目前常用的上述两种光路配置，激光调整好后，探针Z轴即使移动较小的范围(数微米)，激光便会偏移出悬臂梁光斑敏感区域，导致激光器位置需要重新调整，整个逼近过程需多次调整激光，且激光器位置需人工调整，费时费劲。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种双探针原子力显微镜快速逼近装置及方法，以解决现有技术中存在的逼近过程中需要多次调整激光、费时费力的技术问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种双探针原子力显微镜快速逼近装置，包括显微镜底座，所述显微镜底座上设有检测头基座，所述检测头基座通过升降组件与所述显微镜底座连接，所述显微镜底座与所述检测头基座之间设有样品扫描平台，所述样品扫描平台上设有用于放置样品的样品台，所述检测头基座上设有主探针组件和从探针组件；

所述主探针组件包括主探针，所述主探针连接有第一悬臂梁，所述第一悬臂梁上方设有第一激光器和第一光电接收器，所述第一悬臂梁连接有XY轴微米定位台；

所述从探针组件包括从探针，所述从探针连接有第二悬臂梁，所述第二悬臂梁上方设有第二激光器、反光镜和第二光电接收器，所述第二悬臂梁连接有Z轴微米定位台；

还包括控制器，所述控制器连接有上位机，所述控制器连接有所述第一光电接收器和所述第二光电接收器，所述上位机与所述升降组件、所述样品扫描平台、所述XY轴微米定位台及所述Z轴微米定位台连接。

进一步的，所述检测头基座上方设有主光学显示镜，所述检测头基座的一侧设有辅助光学显示镜；

所述主光学显示镜垂直设置，所述辅助光学显示镜水平设置，所述主光学显示镜和所述辅助光学显示镜均与所述主探针组件和所述从探针组件相对设置。

进一步的，所述主探针组件和所述从探针组件位于所述检测头基座上对称设置，所述主探针和所述从探针分别通过探针架与所述检测头基座连接；

所述第一激光器、所述第一光电接收器、所述第二激光器和所述第二光电接收器分别连接有手动XY轴调节架，所述反光镜与所述检测头基座连接。

进一步的，所述升降组件包括电动螺杆，所述电动螺杆与所述上位机连接，所述检测头基座上设有槽孔，所述电动螺杆的一端设于所述槽孔内，另一端设于所述显微镜底座内。

进一步的，所述升降组件包括三根所述电动螺杆，三根所述电动螺杆位于所述检测头基座上呈等腰三角形分布。

本发明还提供一种双探针原子力显微镜快速逼近方法，包括以下步骤：

a、主探针沿水平的X轴、Y轴方向调节，使主探针靠近从探针，从探针沿垂直的Z轴方向调节，使从探针高度低于主探针；

b、分别调整主探针和从探针的激光器，使激光器的入射光斑位于主探针悬臂梁和从探针悬臂梁的前端中点位置，反射光斑位于光电接收器的十字交叉点，其中，从探针的激光器发射的光线经过反光镜反射，光线的光斑垂直射在从探针悬臂梁上；

c、将主探针、从探针、激光器以及光电接收器向下移动，即Z轴方向移动，根据光电接收器信号判断主探针和从探针是否接触样品；

d、首先判断从探针是否接触样品，如是，则执行步骤e，若否，则执行步骤f；

e、将从探针垂直抬高行程M，跳至执行步骤c；

f、判断主探针是否接触样品，如否，则跳至执行步骤c，若是，则执行步骤g；

g、停止主探针、从探针、激光器以及光电接收器的向下移动，将从探针沿Z轴向向下行走，直至从探针与样品接触，主探针和从探针均接触样品，逼近完成。

进一步的，所述步骤a中，调节主探针和从探针时分别通过垂直设置和水平设置的光学显微镜进行位置确定。

本发明提供的一种双探针原子力显微镜快速逼近装置，主探针和从探针的相对位置分别通过XY轴微米定位台和Z轴微米定位台进行调整，可调整至微米量级距离。从探针通过Z轴微米定位台用于调整主探针和从探针的Z轴相对位置，其中，通过反光镜将从探针的入射光路的光斑以垂直的方式照射到第二悬臂梁上，在Z轴向调节时不会出现光斑偏离第二悬臂悬臂梁的状况。因此，在逼近样品过程中，相应的第一激光器和第二激光器均只需要一次调整，之后，无需再进行调整，第一激光器和第二激光器定位后，再控制主探针和从探针逼近至样品表面即可，该装置简化了逼近的步骤，加快了逼近调整过程，操作时省时省力。

本发明提供的一种双探针原子力显微镜快速逼近方法，该方法将需要Z轴向调节的从探针的入射光通过反光镜调整为垂直方向射入，因此，在调节时不会出现偏离悬臂梁的现象，进而对于激光器仅需一次调节即可，逼近方法得到极大的简化，之后，再通过对主探针和从探针进行微调，直至两者均与样品接触，即完成逼近操作。

附图说明

图1是现有技术中激光斜入射光路的示意图；

图2是现有技术中激光侧入射光路的示意图；

图3是本发明实施例1提供的双探针原子力显微镜快速逼近装置的结构示意图；

图4是本发明实施例1提供的双探针原子力显微镜快速逼近装置的主探针组件和从探针组件处的结构框图；

图5是本发明实施例1提供的双探针原子力显微镜快速逼近装置的主探针和从探针处的局部放大图；

图6是本发明实施例2提供的双探针原子力显微镜快速逼近方法的流程框图。

图中：

1、显微镜底座；2、检测头基座；3、样品扫描平台；4、样品台；5、主探针；6、第一悬臂梁；7、第一激光器；8、第一光电接收器；9、XY轴微米定位台；10、从探针；11、第二悬臂梁；12、第二激光器；13、反光镜；14、第二光电接收器；15、Z轴微米定位台；16、控制器；17、上位机；18、主光学显示镜；19、辅助光学显示镜；20、探针架；21、手动XY轴调节架；22、电动螺杆。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

如图3-5所示，一种双探针原子力显微镜快速逼近装置，包括显微镜底座1，显微镜底座1上设有检测头基座2，检测头基座2通过升降组件与显微镜底座1连接，显微镜底座1与检测头基座2之间设有样品扫描平台3，样品扫描平台3上设有用于放置样品的样品台4，检测头基座2上设有主探针组件和从探针组件；

主探针组件包括主探针5，主探针5连接有第一悬臂梁6，第一悬臂梁6上方设有第一激光器7和第一光电接收器8，第一悬臂梁6连接有XY轴微米定位台9；

从探针组件包括从探针10，从探针10连接有第二悬臂梁11，第二悬臂梁11上方设有第二激光器12、反光镜13和第二光电接收器14，第二悬臂梁11连接有Z轴微米定位台15；

还包括控制器16，控制器16连接有上位机17，控制器16连接有第一光电接收器8和第二光电接收器14，上位机17与升降组件、样品扫描平台3、XY轴微米定位台9及Z轴微米定位台15连接。

现有的双探针原子力显微镜，在双探针逼近样品调节时，两个探针均需要实现Z轴向(垂直方向)的调节，因此，采用激光器的光线采用斜入射或侧入射的方式均可能造成光斑脱离悬臂梁的现象，因此，需要反复的多次调整两个激光器。

而本发明提供的双探针原子力显微镜快速逼近装置，主探针5无需在Z轴向移动调整，进而不会出现光斑脱离的现象，仅从探针10进行Z轴向调节，进一步的将入射到从探针10的第二悬梁臂上的入射光线通过反光镜13反射，入射线垂直射入到第二悬梁臂，进而在Z轴向调节从探针10的位置时，垂直入射的光斑位置不变，进而也不会出现脱离的现象，调节过程中，第一激光器7和第二激光器12均只需要一次调节即可。

该双探针原子力显微镜快速逼近装置，使用时，需要先安装主探针5和从探针10，同时需要安全调整样品，具体操作方法为：先通过升降组件提升检测头基座2，检测头基座2提升至最高处与升降组件分离，此时，在样品台4上放置样品，在检测头基座2上安装主探针5和从探针10，最后，再将检测头基座2与升降组件安装即可。

检测头基座2上方设有主光学显示镜18，检测头基座2的一侧设有辅助光学显示镜19；

主光学显示镜18垂直设置，辅助光学显示镜19水平设置，主光学显示镜18和辅助光学显示镜19均与主探针组件和从探针组件相对设置。

在逼近操作之前，首先安装主探针组件和从探针组件，之后，对主探针5和从探针10的位置进行“粗调”，即通过XY轴微米定位台9将主探针5向从探针10方向靠近，之后，在通过Z轴微米定位台15将从探针10向主探针5方向靠近，最终，主探针5与从探针10相互靠近(微米级)，从探针10略低于主探针5。

此步骤中，为了更好的实现调节的观察，设置相应的主光学显示镜18和辅助光学显示镜19，两者分别在垂直方向和水平方向进行观察，在视野范围内进行相应地动作调节。

主探针组件和从探针组件位于检测头基座2上对称设置，主探针5和从探针10分别通过探针架20与检测头基座2连接；

第一激光器7、第一光电接收器8、第二激光器12和第二光电接收器14分别连接有手动XY轴调节架21，反光镜13与检测头基座2连接。

主探针组件和从探针组件安装完成后，通过XY轴微米定位台9和Z轴微米定位台15对主探针5和从探针10进行调节，之后，需要调节第一激光器7和第二激光器12(仅一次调节)，调节完成后，第一激光器7的反射光斑需要落在第一光电接收器8的十字交叉点上，第二激光器12的反射光斑需要落在第二光电接收器14的十字交叉点上。因此，相应的设置手动XY轴调节架21，可实现第一激光器7、第一光电接收器8、第二激光器12和第二光电接收器14水平方向的调节，方便入射光线和反射光线的调节，反光镜13设置在检测头基座2上，位置固定无需进行调节。

升降组件包括电动螺杆22，电动螺杆22与上位机17连接，检测头基座2上设有槽孔，电动螺杆22的一端设于槽孔内，另一端设于显微镜底座1内。优选的，升降组件包括三根电动螺杆22，三根电动螺杆22位于检测头基座2上呈等腰三角形分布。

通过电动螺杆22完成对检测头基座2的升降操作，其中，操作过程中，检测头基座2在升降到最顶端时，其可与检测头基座2之间实现分离，方便对样品的安装调整，采用电动螺杆22调节其行程控制精确，控制简单快捷。

实施例2

第一悬臂梁6上的入射光线与反射光线构成平面P1，第二悬臂梁11上的入射光线和反射光线构成平面P2，平面P1和平面P2相互重合。一般情况下，平面P1和平面P2是相互交叉状态，如两面相互垂直，此种状态下，相应的激光器和光电接收器等部件分散设置占用的空间较大，进而造成设备整体占用的空间较大。因此，为了最大限度的节省空间，平面P1和平面P2采用相互重合的设置方式，即两面相互平行且叠加，达到重合状态，进而激光器和光电接收器等部件不再分散设置，位置更加紧凑，使其占用的空间更小。

实施例3

如图6所示，一种双探针原子力显微镜快速逼近方法，包括以下步骤：

a、主探针5水平的X轴、Y轴方向调节，使主探针5靠近从探针10，从探针10沿垂直的Z轴方向调节，使从探针10低于主探针5；

b、分别调整主探针5和从探针10的激光器，使激光器的入射光斑位于主探针5悬臂梁和从探针10悬臂梁的前端中点位置，反射光斑位于光电接收器的十字交叉点，其中，从探针10的激光器发射的光线经过反光镜13反射，光线的光斑垂直射在从探针10悬臂梁上；

c、将主探针5、从探针10、激光器以及光电接收器向下移动，即Z轴方向移动，根据光电接收器信号判断主探针5和从探针10是否接触样品；

d、首先判断从探针10是否接触样品，如是，则执行步骤e，若否，则执行步骤f；

e、将从探针10垂直抬高行程M，跳至执行步骤c；

f、判断主探针5是否接触样品，如否，则跳至执行步骤c，若是，则执行步骤g；

g、停止主探针5、从探针10、激光器以及光电接收器的向下移动，将从探针10沿Z轴向向下行走，直至从探针10与样品接触，主探针5和从探针10均接触样品，逼近完成。

步骤a中，调节主探针5和从探针10时分别通过垂直设置和水平设置的光学显微镜进行位置确定。借助光学显微镜对主探针5和从探针10进行调节，可提供高分辨率的光学图像，使两者分别在XY轴方向及Z轴方向相互靠近，可调节至数微米范围内。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。