[发明专利]一种改进的扫描探针显微镜扫描方法

说明书

技术领域

本发明涉及显微技术领域，尤其是一种改进的扫描探针显微镜扫描方法。

背景技术

自1982年扫描隧道显微镜STM出现以后，又陆续发展出了一系列工作原理相似的新型显微镜，主要包括原子力显微镜AFM、横向力显微镜LFM、磁力显微镜MFM、静电力显微镜EFM、近场光学显微镜SNOM、压电力显微镜PFM、扫描探针声学显微镜SPAM等，由于它们都是利用探针对被测样品进行扫描的，并在扫描过程中需通过检测探针与样品的相互作用（如样品-探针间的相互作用力等）来得到样品的相关性质(如形貌、摩擦力、磁畴结构等)，因而它们被统称为扫描探针显微镜SPM。扫描探针显微镜通过控制探针对样品表面扫描，同步检测和记录探针与样品的相互作用信号，从而得到样品的表面信息，如图1所示。

目前扫描探针显微镜均采用探针来对样品表面进行逐行往返扫描，进而由多个扫描行构成一幅完整的样品表面图像。理论上，显微镜的控制系统通过控制探针对样品表面的特定区域扫描n行，每行采集n点探针和样品的相互作用信号，就可得到该区域n×n个像素点的样品表面信息，如图2所示。

实际上，为了达到纳米级的分辨率，扫描探针显微镜的扫描运动也必须具备纳米级的控制精度，故目前的扫描探针显微镜大都采用压电陶瓷器件，通过控制加到压电陶瓷的驱动电压大小来实现探针对样品表面的高精度扫描。但压电陶瓷本身具有迟滞特性和蠕变特性，其运动状态与除了受电压控制，还与电压的变化过程（如变化方向、速度等）相关，故其往返扫描的运动轨迹并不完全重合。即使采用位移传感器来对压电陶瓷的运动进行校正或实现运动的闭环控制，但受限于动态位移传感器的检测精度，许多具有位移传感器的闭环控制扫描探针显微镜，在小范围高分辨成像时也会关闭位移传感器，以开环的形式直接驱动扫描成像。更为重要的是，扫描探针显微镜扫描成像时，样品与针尖直接接触或非常接近（距离为0.1纳米量级），针尖与样品间存在较强的相互作用导致针尖产生弹性变形或扭曲，由于针尖和样品的相互作用随扫描方向（即探针运动方向）及样品表面形貌等而改变，针尖在往返扫描的两个扫描方向会产生不同的变形或扭曲，也会造成探针和样品在往返扫描相对运动轨迹的不重合。

以扫描探针显微技术中应用最广泛的原子力显微镜为例，原子力显微镜通过检测样品与微悬臂探针针尖间的作用力成像，以获得样品的表面形貌，如图3所示。当探针改变扫描方向时，针尖受到的横向力的方向也随之改变，因此探针的扭曲方向完全不同，而且，这种扭曲除了与扫描方向相关，也与样品形貌及探针的不对称性相关。这种扭曲，会造成探针和样品在往返扫描的相对运动轨迹的不重合。实际上，即使不是检测样品与针尖的作用力的其他扫描探针显微技术，在纳米尺度上，因针尖与样品间高度接近所导致的针尖受力形变现象普遍存在。

由于上述原因，扫描探针显微镜在探针的往返两个方向扫描过程中，只能采集其中一个扫描方向的信号进行成像，如图4所示（图中，箭头表示扫描方向）。也就是说，为了得到样品指定区域中具有n×n个像素点的表面信息图像，探针需要对样品表面的该区域扫描2n行，其中，n个为正向扫描行（图4中以实线表示），每行采集n点探针和样品的相互作用信号，用于系统成像；n个为返回扫描行（图4中以虚线表示），用于使探针回到下一个正向扫描行的起点，准备开始下一次正向扫描。但扫描探针显微镜探针在返回扫描行时，仍然与样品相互作用，产生了无效磨损，影响了探针的使用寿命，增加了仪器的使用成本。

综上所述，目前的扫描探针显微镜在检测过程中，其控制系统只能采集往返扫描两个方向中的一个方向信号进行成像，而另一个方向虽然不需采集信号，但其探针仍然与样品相互作用，产生了无效磨损，影响了探针的使用寿命，也增加了显微镜的使用成本。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种使用寿命长和使用成本低的，改进的扫描探针显微镜扫描方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种改进的扫描探针显微镜扫描方法，扫描探针显微镜在需要采集信号的正向扫描过程采集探针与样品的相互作用信息，而在不需要采集信号的返回扫描过程通过改进的回程空扫描控制方法，使探针与样品间的相互作用减弱或使探针与样品完全分离。

进一步，所述改进的回程空扫描控制方法为闭环回程空扫描控制方法，所述闭环回程空扫描控制方法，其具体为：