[发明专利]使用峰值力轻敲的样本的红外表征

说明书

一种使用原子力显微镜AFM以及引导至AFM的探针针尖的脉冲IR激光进行样本表征的装置和方法。所述激光脉冲与AFM的振荡驱动同步，使得脉冲与针尖/样本仅在选定(例如每隔一个)的振荡循环相互作用。并且，能够在低于50nm，甚至低于20nm的分辨率下进行纳米机械和纳米光谱测量。

相关申请的交叉引用

本申请根据35USC § 1.119(e)要求2016年8月22日提交的美国专利申请序列号62/378,107的题为“Peak Force Infrared Sample Characterization”的优先权，并且也要求2017年5月16日提交的美国临时专利申请序列号为62/506,962的题为“OscillatingMode Infrared Sample Characterization”的优先权。上述申请主题的全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明的优选实施例涉及进行纳米机械测量和光谱测量，更具体地，使用峰值力轻敲(Peak Force)原子力显微镜(AFM)以及使用红外(IR)电磁激发以在样本上实现局部光谱，同时实现样本的纳米机械表征。

背景技术

将红外光谱(Infrared spectroscopy)测量和扫描探针显微镜(SPM)结合起来用于执行将红外光源集成起来的光谱测量方法，例如，将可调谐自由电子激光器、光学参量振荡器，或量子级联激光器与具有用于测量样本对红外光的局部吸收的尖锐的探针的原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)进行结合。在这方面，在先技术以接触模式AFM为基础，并且，从在光吸收期间样本膨胀时发生的接触谐振振荡中提取吸收信号。经过发展，已经将这些基于光热AFM技术的空间分辨率从微米改善到100nm。

可以对被测样本和辐射能之间的相互作用进行监控以产生关于样本的信息。在光谱方法中，能够测量从样本分散至组分能量的光，例如能够将其绘制关于波长函数。通过对分散光进行上述分离与分析，用户能够确定样本的物理性质，例如温度、质量和组成。

值得注意的是，以纳米级的空间分辨率进行光谱测量的技术不断得到改进。然而，尽管具有超出衍射极限的空间分辨率的成像技术不断发展，但在同时提供化学特异性和分子水平上的灵敏度的光谱方面仍具有挑战。远场定位(Far-field localization)技术能够通过点扩散函数重建实现低至约20nm的空间分辨率，但通常依赖于来自离散分子或具有有限的化学特异性信息的量子点发射器的荧光。

SPM促进了这一领域的发展。AFM是一种使用具有针尖的探针的装置，其使针尖以适当的力与样本表面相互作用，直到表面具有原子尺寸的特性。通常，将探针引入样本表面以检测样本特性的变化。通过在针尖和样本之间提供相对的扫描运动，可以在样本的特定区域上获取表面特性数据，并且可以生成对应样本的图。

在图1中示意性地示出了典型的AFM系统。AFM10采用探针装置12，该探针装置12包括具有悬臂15的探针14。扫描器24产生探针14与样本22之间相对运动，同时测量探针-样本的相互作用。以这种方式，可以获得样本的图像或其他测量值。通常，扫描器24包括在三个相互正交的方向(XYZ)上生成运动的一个或多个致动器。通常，扫描器24是包括用于在全部三个轴上移动样本或探针的一个或多个致动器的单个集成单元，例如能够是压电管致动器。可替代地，扫描器可以是多个独立的致动器的组合。一些AFM将扫描器分成多个部件，例如，移动样本的XY致动器和移动探针的独立的Z致动器。如在Hansma等人的美国专利第RE34,489号、Elings等人的美国专利第5,266,801号以及Elings等人的美国专利第5,412,980号中所描述的，装置能够在探针与样本之间产生相对运动，同时测量样本的形貌(topography)或一些其它特性。

在通常配置中，探针14通常耦合到振荡致动器或驱动器16，该振荡致动器或驱动器16用于在悬臂15的谐振频率或谐振频率附近驱动探针14。可选的配置用于测量悬臂15的偏转、扭转或其他运动。探针14通常是具有集成针尖17的微型悬臂。