[发明专利]一种三扫描器原子力显微扫描检测方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种三扫描器原子力显微扫描检测方法及装置。

背景技术

微纳米技术越来越成为当今世界科技发展的前沿之一，对现代科学技术的发展和社会进步起到重大的推动作用。原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）等超高分辨率仪器已经成为微纳米领域里不可缺少的重要工具，尤其是AFM因其不受样品导电性能的限制而广泛应用于物理学、化学、生物学、医学、微电子学、微机械及微纳米技术等领域。

目前，世界上大多数常规AFM，其探头都采用单一的扫描器，它们要么单纯采用微探针固定、样品扫描的形式，要么单纯采用样品固定、微探针扫描的形式。前者可以实现小尺寸、小质量样品的小范围扫描测量，后者则适用于大尺寸、大质量样品的大范围扫描测量。尽管这些常规AFM具有以上特点，但是因为它们只采用单一扫描器及单一扫描方式，因此在性能和技术指标方面均存在局限性，如常规的微探针固定、样品扫描型AFM，无法同时实现大尺寸、大质量样品的大范围扫描测量；而常规的样品固定、微探针扫描型AFM，在实现大尺寸、大质量样品的大范围扫描测量的同时，往往需要牺牲成像分辨率或精度，即无法同时实现高分辨率扫描成像，因此需要不断发展新的AFM技术。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种三扫描器原子力显微扫描检测方法及装置。

三扫描器原子力显微扫描检测方法是采用样品扫描和探针扫描相结合的检测方法，引入叠层式压电陶瓷扫描器及扫描跟踪光路与反馈跟踪光路，以样品固定、微探针扫描与反馈的方式实现各种样品的0.1nm分辩率、10~100μm扫描范围的微纳米检测；引入管状压电陶瓷扫描器，以微探针固定、样品扫描与反馈的方式实现轻小样品的1~10μm扫描范围的微纳米检测；引入二维步进扫描台扫描样品，配合叠层式压电陶瓷器对微探针的Z向反馈控制及反馈跟踪光路，以微探针反馈、样品扫描的方式实现大、重样品的0.1nm分辩率、0.1~1mm范围的图像扫描及拼接。

三扫描器原子力显微扫描检测装置包括三扫描器原子力显微探测头、前置放大器、PID反馈单元、第一XYZ控制模块、第二XYZ控制模块、步进控制模块、计算机与接口；前置放大器与位置敏感元件、PID反馈单元相连，PID反馈单元与第一XYZ控制模块、第二XYZ控制模块、计算机与接口相连，第一XYZ控制模块与叠层式压电陶瓷扫描器、计算机与接口相连，第二XYZ控制模块与管状压电陶瓷扫描器、计算机与接口相连，步进控制模块与二维步进扫描台、计算机与接口相连。

所述的三扫描器原子力显微镜探测头包括探针扫描与光电检测单元、样品扫描单元及二维步进扫描单元，其中，探针扫描与光电检测单元包括半导体激光器、准直透镜、限束孔、扫描跟踪透镜、微探针、反馈跟踪透镜、PSD、弯曲支架、直支架、叠层式压电陶瓷扫描器、探针座、第一扫描器座、横梁，样品扫描单元包括样品、样品台、管状压电陶瓷扫描器、第二扫描器座，二维步进扫描单元包括二维步进扫描台、底座；安装在支柱上的横梁固定有PSD、弯曲支架、半导体激光器、叠层式压电陶瓷扫描器，弯曲支架上装有反馈跟踪透镜，准直透镜、限束孔、扫描跟踪透镜自上而下固定在直支架上，在叠层式压电陶瓷扫描器左侧固定有直支架、下端固定有探针座，微探针固定在探针座上，样品安装在样品台上，样品台固定在管状压电陶瓷扫描器上，管状压电陶瓷扫描器通过第二扫描器座安装在二维步进扫描台上，二维步进扫描台固定在底座上。

本发明首次提供了三种不同的探针和样品扫描方式，可在保持纳米级扫描精度的同时，对不同尺寸、不同重量的样品实现一微米至一百微米级范围的单幅图像扫描，以及一百微米至毫米级范围的图像拼接，克服了常规样品扫描式AFM仅适用于小样品的小范围检测和探针扫描式AFM适用于大样品的大范围检测的局限性，为实现各种尺寸与重量的微纳米样品的高精度、大范围、多扫描方式微纳米扫描成像提供了新途径，可望在微纳米检测、微纳米加工制备及微纳米操控等领域得到广泛应用。

附图说明

图1是三扫描器原子力显微扫描检测装置结构示意图；

图2是本发明的三扫描器原子力显微探测头结构示意图；