[发明专利]一种低噪声的样品相对湿度连续可调的原子力显微镜

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米结构的原子力显微镜领域，特别是一种用于湿度环境下样品材料表面性质研究的、稳定性好且低噪声的一种低噪声的样品相对湿度连续可调的原子力显微镜。

背景技术

原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)是利用原子、分子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的仪器，其基本原理为：通过将一根纳米级尺度的探针固定在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上，当针尖与样品非常接近时，针尖尖端的原子与样品表面原子之间的作用力会使所述微米级弹性悬臂弯曲，偏离原来的位置；同时，有一束激光照射到悬臂上，并反射到激光监测器中，弹性悬臂的弯曲导致了激光的偏向，由此得到光斑的偏移量，根据该偏移量以及其振动频率、作为反馈信号，经过特定的反馈系统输入计算机中，计算机能够以此来重建三维图像，从而获得样品表面的形貌及成分信息。

原子力显微镜可以用于不同湿度环境下样品表面的性质研究，例如，使用AFM以环境条件为自变量的方程来研究粘附、摩擦等类似的相互作用，展现出环境中相对湿度的变化而产生的区别。为了实施这种实验，样品和扫描探针都被置于一个独立的湿度可控的小型腔体内，其相对湿度可控，控制湿度常用的方法有两种：一种是饱和盐溶液法，但是，由于需要控制饱和溶液的动态挥发过程，实验中样品的温度会发生改变；一种是混合干湿气体法，虽然相对湿度可以从0到饱和连续改变，其常用的起泡设计会引入机械噪声，严重限制了纳米尺度的测量。因此，如何做到在为原子力显微镜的样品加湿的同时，不引入噪声以及不改变样品温度，是迫切需要解决的问题，所述一种低噪声的样品相对湿度连续可调的原子力显微镜能解决这一问题。

发明内容

为了解决上述问题，所述一种低噪声的样品相对湿度连续可调的原子力显微镜具有稳定性好和低噪声的技术特征，通过用超声喷雾器来产生水饱和气体的方法，改进了以前基于沸腾的方法。通过使用水喷雾作为潮湿气体源的连续流量混合增湿机，实验的同时改变样品的湿度，且保持温度不变，可以连续地数据采集，能够在实验过程中精确控制样品的湿度和温度。

本发明所采用的技术方案是：

所述一种低噪声的样品相对湿度连续可调的原子力显微镜，由湿度控制器连通原子力显微镜组成，所述湿度控制器主要包括气体入口I、管路三通I、干气路流量调节器、湿气路流量调节器、气体入口II、气体出口II、由防溅挡板、超声单元、冷却器组成的超声喷雾器、管路三通II、气体混合室I、气体混合室II、气体出口I、温度及湿度感应器I、温度及湿度感应器II、气体入口III、气体出口III、隔离减震器I、隔离减震器II及通气管路，所述原子力显微镜主要包括扫描腔、悬臂及针尖、控制电路、样品，其中悬臂及针尖和样品位于所述扫描腔内、控制电路位于所述扫描腔外并通过电缆与悬臂及针尖、样品相连，所述气体入口II、湿气路流量调节器、管路三通I、干气路流量调节器、管路三通II、气体出口II依次连通，所述气体入口I连通管路三通I，所述湿气路流量调节器、干气路流量调节器与由计算机控制的马达连接且能够控制气体流速，所述气体入口II和气体出口II均连通入所述超声喷雾器内；所述管路三通II、气体混合室I、气体入口III依次连通，且气体入口III通过隔离减震器I与所述扫描腔连接，所述温度及湿度感应器I连接于气体混合室I；所述气体出口I、气体混合室II、气体出口III依次连通，且气体出口III通过隔离减震器II与所述扫描腔连接，所述温度及湿度感应器II连接于气体混合室II。

所述扫描腔为密封腔并通过气体入口III和气体出口III连通所述湿度控制器。所述隔离减震器I、隔离减震器II包括弹簧减震、磁阻尼减震、气体减震等，能够使通过气路传到原子力显微镜扫描腔的机械噪声减小。所述冷却器主要包括一个导热槽和两个风扇，能够为超声单元降温，使湿气路气体在通入超声喷雾器前后温差更小，从而使样品温度更稳定。根据具体的研究需要，气体可以是氮气、氧气、氩气等，所述超声喷雾器中液体可以是水、乙醇、甲醇等。