[发明专利]采用开尔文探针力显微镜进行多参数同步测量的方法

说明书

采用开尔文探针力显微镜进行多参数同步测量的方法，涉及表面形貌、力学特性和表面局部电势的测量技术，目的是为了解决传统的开尔文探针力显微镜无法实现样品的表面形貌、力学特性和表面局部电势的同步表征的问题。本发明的导电探针始终保持上下往复移动，在一个运动周期内，导电探针和样品之间的最大相互作用力达到设定值对应的时间点为B点，在B点测量表面形貌图像；电探针从样品表面脱离时为C点，在B点和C点之间利用DMT模型得到等效杨氏模量图像；导电探针和样品脱离后继续上升至设定高度并保持一段时间，在该时间段内测量导电探针和样品之间的表面电势差。本发明适用于样品的表面形貌、力学特性和表面局部电势的测量。

技术领域

本发明涉及表面形貌、力学特性和表面局部电势的测量技术。

背景技术

开尔文探针力显微镜(Kelvin Probe Force Microscopy,KPFM)是扫描探针显微镜(Scanning probe microscopy，SPM)家族中的一员，它将开尔文探针技术与原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)结合，实现了样品表面局部电势的表征。传统的开尔文探针力显微镜通过不同的测量方法可以实现样品的表面形貌、力学特性和表面局部电势的表征。例如“抬起模式(lift-up mode)”通过两次扫描可以获得样品的表面形貌和局部电势，“共振模式(tapping mode)”通过一次扫描可以同时获得样品的表面形貌和局部电势，而“峰值力模式(peak force mode)”是一种间断接触模式，扫描时每线进行两次扫描，首次扫描获得样品的表面形貌和力学特性，然后利用“抬起模式”第二次扫描获得样品的表面局部电势。虽然现有的方法可以实现样品表面形貌、力学特性和表面局部电势的表征，但是不能实现这些参数的同步表征，也就是说不能通过一次扫描同时获得样品的表面形貌、力学特性和表面局部电势。

发明内容

力学特性和表面局部电势对于理解微电子器件的功能、微生物活性以及许多机-电和生物现象是非常重要的，并且许多测量具有时效性和机-电耦合特性。另外，探针和样品之间的接触电势差将对样品表面形貌的测量造成误差。因此，同时测量样品的表面形貌、力学特性和表面局部电势是非常有意义的。鉴于传统的开尔文探针力显微镜测量方法无法实现样品的表面形貌、力学特性和表面局部电势的同步表征，本发明提供了一种采用开尔文探针力显微镜进行多参数同步测量的方法。

本发明所述的采用开尔文探针力显微镜进行多参数同步测量的方法，其中的开尔文探针力显微镜包括XY微米定位台12、XYZ纳米定位台13、开尔文扫描样品台15、XYZ微米定位台8、一维大量程调整微平台10、探针手支架9、探针手7、上位机、直流电源、任意波发生器、采集卡、信号发生器、移相器、锁相放大器、四象限位置检测器、半导体激光发生器、一号压电控制器、二号压电控制器和三号压电控制器；

开尔文扫描样品台15固定在XYZ纳米定位台13上，XYZ纳米定位台13固定在XY微米定位台12上；探针手7上安装有导电探针7-4和能够带动导电探针7-4沿竖直方向即Z方向移动的压电陶瓷7-2，探针手7固定在探针手支架9上，探针手支架9固定在XYZ微米定位台8上，XYZ微米定位台8固定在一维大量程调整微平台10上；

上位机通过一号压电控制器驱动开尔文扫描样品台15移动、通过二号压电控制器驱动XYZ纳米定位台13移动、通过三号压电控制器驱动探针手7上的压电陶瓷7-2移动；

半导体激光发生器18产生的激光入射至导电探针7-4上，经导电探针7-4反射的激光入射至四象限位置检测器4；

四象限位置检测器4的探测信号通过采集卡发送至上位机，该探测信号还作为反馈信号发送至锁相放大器；

直流电源用于在上位机的控制下产生直流信号，并将该直流信号加载到导电探针7-4与样品15-8之间；