[发明专利]用于化学成像的原子力显微镜的红外光谱方法及装置

说明书

提供了用于获得具有低至几纳米的空间分辨率的极高灵敏度的化学成分图的方法及装置。在一些实施例中，能够通过组合三种技术生成该化学成分图：(1)使用红外辐射照射样本，而不是调谐到样本的吸收带；(2)优化调谐到特定靶材的机械耦合效率；(3)优化调谐到特定靶材的谐振检测。通过组合这些步骤可以获得(1)基于独特红外吸收的化学成分图；(2)通过极短距离的针尖‑样本相互作用增强的空间分辨率；(3)调谐至特定靶材的谐振放大。在其他实施例中，可以利用这些步骤中的任两个，仍然能够实现空间分辨率和/或灵敏度的实质改进。

技术领域

本说明书涉及一种基于红外光谱的散射原子力显微镜(AFM-IR)，尤其涉及在异质系统(heterogeneous system)中获得指示化学组分分布的信息的原子力显微镜。

AFM-IR是以接近纳米级的分辨率测量和绘制一些表面的光学性质/材料成分的技术。在本申请以及共同发明人的美国专利8869602、8680457、8402819、8001830、9134341、8646319、8242448，美国专利申请第13135956中对该技术的各个方面进行描述。上述申请全文引入此文作为参考。

背景技术

基于原子力显微镜的红外光谱(AFM-IR)通过使用原子力显微镜的针尖局部检测红外辐射的吸收，提供在纳米长度尺度上的化学表征和成分图。

发明内容

在一些实施例中，提供了用于获得具有低至几纳米的空间分辨率的极高灵敏度的化学成分图的方法及装置。在一些实施例中，能够通过组合三种技术生成该化学成分图：(1)使用红外辐射照射样本，而不是调谐到样本的吸收带；(2)优化调谐到特定靶材的机械耦合效率；(3)优化调谐到特定靶材的谐振检测。通过组合这些步骤可以获得(1)基于独特红外吸收的化学成分图；(2)通过极短距离的针尖-样本相互作用增强的空间分辨率；(3)调谐至特定靶材的谐振放大。在其他实施例中，可以利用这些步骤中的任两个，仍然能够实现空间分辨率和/或灵敏度的实质改进。

在第一方面的一实施例中，提供一种使用扫描探针显微镜的探针绘制异质样本表面的方法，所述方法包括以下步骤：在第一频率f₁振荡所述探针；使所述探针与所述样本的第一区域相互作用；使用红外辐射束照射所述样本；当在所述第一区域与样本材料相互作用时，在频率f_m调制所述红外辐射束，使得到的边带频率f_sb实质上等于探针的谐振；测量由于入射在所述样本的红外辐射，在所述边带频率的所述样本的所述第一区域的探针响应；移动所述探针从而与样本的第二区域相互作用，导致所述探针谐振的移位；重调所述调制的频率f_m，导致移位的边带频率实质上等于移位的探针谐振；在所述第二区域，在移位的边带频率测量由于入射在所述样本的红外辐射的探针响应。在第一方面的另一实施例，样本区域浸在液体中。

在第一方面的一个实施例中，该方法进一步包括基于测量的探针响应生成样本的成分图的步骤。在第一方面的另一实施例中，该方法还可以包括基于测量的探针响应生成样本的成分图的步骤。在第一方面的另一实施例中，还包括：调节探针相互作用参数从而实质上最大化在第一材料和第二材料的所述探针响应之间的对比的步骤。在第一方面的一实施例中，能够自动执行重调所述调制的频率的步骤。在第一方面的一实施例中，所述成分图的空间分辨率10nm。在第一方面的另一实施例中，还包括：在所述探针与所述样本区域相互作用时，测量所述探针的振荡相位的步骤。在第一方面的另一实施例中，还包括：使用所述相位测量调节所述辐射调制频率f_m的步骤。在第一方面的另一实施例中，所述频率f₁实质上对应于探针谐振。在第一方面的另一实施例中，调节所述探针相互作用参数从而在实质上最大化在第一材料和第二材料的所述探针响应之间的对比的步骤。