[发明专利]一种快速扫描原子力显微检测方法及系统

说明书

技术领域

本发明属微纳米技术及显微检测成像技术领域，更特殊地，涉及一种快速扫描原子力显微检测方法及系统，用于实现原子力显微镜的高速度、高精度、无畸变的快速扫描及微纳米显微检测成像。

背景技术

近年来，微纳米技术的研究及应用得到飞速发展，已成为二十一世纪世界各主要国家优先发展的重点及前沿领域。而光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）及扫描探针显微镜（SPM）等微纳米显微检测成像技术，是微纳米技术发展的重要基础。SPM家族中最具代表性的是扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM），其中尤其以AFM的研究和应用更为广泛，因为AFM不受微纳米样品的导电性、磁性及物质态（固态、胶体、液态）等的限制，因而在微纳米电子学、微纳米光电子学、物理学、化学、材料与高分子科学、生命科学及微纳米技术的其他领域发挥着重大作用，极大地推动了微纳米技术的发展，进而为科学技术的发展进步起到了重要作用。

随着微纳米技术的发展，对微纳米显微检测与成像技术也提出了新的要求，对AFM技术也不例外。此前，世界上绝大多数常规型AFM，其扫描速度都是较慢甚至很慢的，例如，某些进口的AFM仪器系统，扫描一幅AFM图像（如128×128、256×256、512×512像素），需要用10~60分钟时间，有的扫描时间甚至更长。这就大大限制了AFM的显微检测成像的实时性，进而影响其总体性能及推广应用。究其原因，主要是绝大多数常规型AFM采用XYZ固定在一起的扫描与反馈控制器（三角架型或管状四等分型），或者采用XY固定在一起的扫描器，使得X方向的扫描与Y方向的扫描互相不独立，彼此之间因存在固定连接而造成严重制约干扰，从而无法提高扫描速度，特别是无法提高X方向（快扫描轴）的扫描速度。而对于高速扫描而言（以每秒1幅128×128~256×256像素的扫描速度为例），X方向需要达到每秒128×128~256×256像素点的扫描速度（Y需要达到每秒128~256像素的扫描速度），其中的X方向的超高扫描速度，是上述常规型AFM及其扫描器无法实现的。同时，上述常规型AFM中，X、Y、Z方向的扫描及反馈控制彼此固定在一起，两两之间彼此不独立，在扫描过程中特别是在试图以较快速度扫描时，三个方向会存在相互耦合干扰与制约，既使扫描速度无法进一步提升，也会使AFM图像产生畸变。

为了提高AFM的扫描速度，国外研究者曾提出一种音叉扫描型AFM，采用将样品粘在一个可以在X方向共振的音叉上，再将音叉一端与Y方向扫描器固定在一起的方法，实现每幅图像128×128像素的高速扫描成像。这一方法具有一定的新意，不过，由于音叉在X方向振动幅度的不确定性及非线性，使扫描范围及精度难以精确控制，甚至会导致AFM图像在X方向的扭曲或畸变；同时，由于音叉一端与Y方向扫描器固定连接在一起，也必然会与Y方向扫描器之间产生相互耦合干扰和制约，从而造成图像在Y方向的失真或畸变。此外，由于样品需要粘贴在音叉的一个臂上进行高速共振扫描，因此样品的大小和重量必须非常小，从而也大大限制了其性能及实用性。为此，需要克服常规型AFM及音叉扫描型AFM的局限性，研究发展出新型的快速扫描原子力显微检测技术。

本发明提出了一种快速扫描原子力显微检测方法，发展和建立快速扫描原子力显微检测系统。采用X方向独立地快速扫描微探针、Y方向快速扫描样品，并且使Z向负反馈与Y方向扫描正交独立的方法，实现原子力显微检测系统对微纳米样品的快速扫描及显微检测成像。本发明很好地克服了常规型AFM及音叉扫描型AFM的上述局限性，为实现微纳米样品的高速度（如1~10幅图像/秒，而常规型AFM速度一般为10~60分钟1幅图像）、高精度、无畸变的快速扫描与原子力显微检测成像提供了新的技术方法及途径。可广泛应用于微纳米技术的各个领域，进而满足我国在科学技术、国民经济、社会发展及国防等领域的国家需求。

发明内容

本发明的目的是克服常规型AFM及音叉扫描型AFM的局限性，提供一种快速扫描原子力显微检测方法及系统。