[发明专利]操作扫描探针显微镜的方法和装置

说明书

一种改进的AFM成像模式300(峰力轻敲(PFT)模式)使用力作为可变反馈，以减小尖端‑样本相互作用力，同时保持能够由所有现有AFM操作模式获得的扫描速度。以改进的分辨率和高的样本产量获得样本成像和机械性能映射，其中，模式能够在包括气态的、流体的和真空的各种环境中工作。

本申请是国际申请日为2009年11月13日、国际申请号为 PCT/US2009/064476、申请号为200980153270.3、名称为“操作扫描探针显微镜的方法和装置”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2008年11月13日提交的美国临时专利申请序列号61/114,399的优先权，上述申请的全部内容明确结合在此，作为参考。

技术领域

本发明针对包括原子力显微镜(AFMs)的扫描探针显微镜(SPMs)。更具体地，本发明针对AFM操作的模式，其在高速下、以低的尖端- 样本相互作用力和高分辨率提供力控制。

背景技术

诸如原子力显微镜(AFMs)的扫描探针显微镜(SPMs)是下述装置，其通常使用具有尖端的探针并使所述探针与样本的表面以很低的力相互作用，以下至原子尺寸描述表面特性。大体上讲，探针引导至样本表面以检测样本特性的变化。通过提供在尖端与样本之间的相对扫描运动，可以获取样本特定区域上的表面特性数据，并且可以产生样本的相应映射。

图1中示意性示出了常用的AFM系统。AFM10使用包括具有悬臂 15的探针17的探针装置12。扫描仪24在探针17与样本22之间产生相对运动，同时测量探针-样本的相互作用。通过这种方式，可以获得样本的图像或其他测量。扫描仪24通常包括一个或更多个致动器，它们通常产生在3个相互正交方向(XYZ)上的运动。通常，扫描仪24 是单个的整体单元，其包括一个或更多个致动器，用于在全部3个轴向上移动样本或探针，例如压电管致动器。替代性地，扫描仪可以是多个单独致动器的概念性或物理性组合。一些AFMs将扫描仪分开成多个部件，例如，移动样本的XY致动器和移动探针的单独的Z致动器。因此，该仪器能够在探针与样本之间产生相对运动，同时测量如例如在 Hansma等U.S.专利No.RE 34,489；Elings等U.S.专利No.5,266,801；和Elings等U.S.专利No.5,412,980中描述的样本的地形学或一些其他特性。

明显地，扫描仪24通常包括压电叠堆(在此处通常称为“压电叠层”)或压电管，其用于在测量的探针与样本表面之间产生相对运动。压电叠层是基于施加到布置于叠层上的电极上的电压在一个或更多个方向上移动的装置。压电叠层通常与用于导向、约束和/或放大压电叠层的运动的机械挠曲结合使用。此外，如在2007年3月16日提交的序列号为11/687,304的、发明名称为“快速描述SPM扫描仪和操作其的方法”的申请中所描述的，挠曲用于增加致动器在一个或更多个轴线方向上的刚度。致动器可以联接至探针、样本或两者。最典型地，致动器组件以在水平的或XY平面内驱动探针或样本的XY致动器和在竖直或 Z方向上驱动探针或样本的Z致动器的形式设置。

在一般构造中，探针17通常联接至振荡致动器或者驱动器16，该驱动器16用于驱动探针17以悬臂15的共振频率或在接近该频率振荡。替代性装置测量悬臂15的偏转、扭转或其他特性。探针17通常是具有整体尖端的微加工悬臂17。

一般来说，电子信号从受到SPM控制器20控制的AC信号源18 施加，以致使致动器16(或替代性地扫描仪24)驱动探针17以振荡。探针-样本相互作用通常由通过控制器20的反馈控制。明显地，致动器 16可以联接至扫描仪24和探针17，但可以与探针17的悬臂15整体地形成为自致动悬臂/探针的一部分。