[发明专利]低漂移的扫描探针显微镜

说明书

相关专利的交叉引用

本申请要求享有于2010年3月19日提交的美国临时申请No.61/315,580的权益。

技术领域

本发明总地涉及显微镜学，并且更具体地说，涉及一种减少基于扫描探针的仪器中的漂移的方法，例如扫描探针显微镜(SPM)，其采用易受漂移影响的材料。

背景技术

扫描探针显微镜(SPM)是提供关于表面属性的高分辨率信息的仪器。扫描探针显微镜通常用于成像，某些SPM能够对单个原子进行成像。随着成像一起，SPM可用于测量各种表面属性，细节达到了从几埃至数百微米的范围。对于许多应用，SPM可提供通常不能由任何其它类型的装置所获得的横向和垂直分辨率。

一种类型的SPM是原子力显微镜(AFM)，其扫描表面上尖锐的尖端。尖端安装在悬臂(杠杆)的自由端上。尖端被带至表面上，并且尖端与表面的力的相互作用造成悬臂发生偏斜。悬臂的偏斜经过测量，并且尖端或样品的位置可用于调整其被扫描时尖端的竖直位置，从而使偏斜和因而力维持基本恒定不变。尖端的竖直位置对水平扫描提供了表面地形图。在AFM中，尖端-样品的相互作用力可以非常小，小到不使生物分子变形。原子力显微镜还可以非接触模式进行操作，其中斥力使悬臂在其扫描表面时发生偏斜。尖端被扫描时的偏斜提供了关于表面的地形信息。

原子力显微镜能够检测悬臂小的运动。用于悬臂运动检测的几种技术已经用于最常用的采用悬臂反射光的方法。光束由于悬臂运动而引起的偏斜可被检测到，或者悬臂的运动可用于产生干扰效应，其可用于推导运动。原子力显微镜可用于对单个原子成像，以及用于测量样品的机械属性，例如刚性。

为了测量这种属性，例如电场、磁场、光量子激励、电容、和离子传导率等已经研究出探测装置。不管探测机构如何，大多数SPM具有共同的特征，通常在探针和表面之间的相互作用下操作，表面被限定为非常小的侧面区域，并且对竖直位置极端敏感。大多数SPM能够非常精确地确定探针的三锥位置，并且使用高性能的反馈系统来控制探针相对于表面的运动。

探针的定位和扫描通常利用压电元件来完成。这些装置在电压应用于它们时膨胀或收缩，并且通常具有每伏几埃至数百埃的灵敏度。扫描可以各种方式来执行。某些SPM保持探针固定，并在其它SPM扫描探针时将样品连接到扫描机构上。压电管得到广泛使用，并且通常能够产生三锥扫描。它们是机械坚硬的，对于快速扫描具有良好的频率响应，并且制造和组装相对低廉。

图1是典型的AFM 10的简化框图。除了其它构件之外，AFM 10包括致动器组件(XYZ致动器组件或扫描器12)以及控制器或控制台14。控制台14通常由至少一个计算机和相关联的电子器件及软件组成，其执行数据采集和控制AFM的任务。控制台14可由单个集成单元组成，或者可由分布式电子器件阵列和软件组成。控制台可使用典型的台式计算机、膝上型计算机、工业控制用计算机和/或一个或多个嵌入式处理器。

在这种情况下，扫描器12安装在样品16上，并在其移动的下端支承探针18。探针18具有悬臂20和安装在悬臂20的自由末端部分上的探针尖端22。同样，在某些情况下，探针尖端22通过压电扫描器12定位在固定的样品16上；或者在某些情况下，样品16附接在扫描器12上，并且尖端22是固定的。探针18耦合在振荡致动器或驱动器24上，其用于驱动探针18，使其在或接近探针的谐振频率下振荡。通常说来，电子信号在AFM控制台14的控制下从AC信号源26应用于驱动器上，以使探针18在例如自由振荡幅度AQ下振荡。控制台14从传感装置28中获得数据，并经过反馈通过将控制电压应用于扫描器12上而控制尖端22的高度。传感装置或检测器28感测尖端偏斜。X和Y位置通过X和Y驱动器将电压应用于扫描器上而受到控制。通常对于大多数应用，通过产生X和Y扫描方向上的线性运动而产生光栅扫描。扫描区域可由于在扫描器范围内从所选位置起动光栅而发生偏移。探针尖端22在这种设置下可定位在扫描器范围内的X和Y坐标的任何地方。