[发明专利]一种用于真空环境型原子力显微镜的光机结构装置

说明书

本发明公开了一种用于真空环境型原子力显微镜的光机结构装置，具有真空腔体模块、上光学成像及激光检测模块、下光学成像模块；真空腔体模块包括真空腔、压电位移台、压电扫描器、载物片、样品台、探针和探针座；上光学成像及激光检测模块包括物镜、手动位移台、半透半反镜、激光器、可调反光镜、四象限探测器、光源和图像传感器；下光学成像模块包括物镜、手动位移台、光源、半透半反镜和图像传感器；本案首次在原子力显微镜的光机结构中设计了上下两套辅助光学成像装置，能同时用于材料样品或生物样品的精确扫描定位，而且首次使原子力显微镜光路与辅助光学成像系统光路集成一体，使得整个系统光路简化、结构紧凑。

技术领域

本发明属于高分辨分析仪器领域，尤其是原子力显微镜领域，具体涉及一种用于真空环境型原子力显微镜的光机结构装置。

背景技术

原子力显微镜(AFM)是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面微观结构的分析仪器，它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一个对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，该针尖将与样品相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。为了获得样品表面的信息，一般利用激光检测法，即将激光束打在探针悬臂背面，然后反射到位置探测器上；扫描时，由于样品和探针尖端的原子间相互作用力，探针悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，再通过检测位置探测器上光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。原子力显微镜是当前世界上分辨率最高的表面三维轮廓测量仪器，是材料科学研究及纳米检测领域中不可或缺的检测设备。原子力显微镜以分辨率高、适用范围广、样品制备简单，以及能够在各种环境中进行微纳米检测而获得广泛的应用。

众所周知，原子之间的相互作用力是非常微小的，AFM在工作时，为了维持两者之间的作用力，探针和样品之间的距离非常近，通常只有几个纳米或几十个纳米，这就对仪器周围环境的要求非常之高。目前市场上的原子力显微镜都是在普通空气环境中进行操作的，但是由于空气中活跃着各种气体分子、存在各种机械振动以及电磁干扰的缘故，要想获得极高的分辨率还是比较困难的，要想利用原子力显微镜真正获得原子级别的分辨率，还是需要在超真空、超低温环境下进行工作。作为原子力显微镜的同类产品扫描隧道显微镜(STM)大多数就是在超真空超低温环境下进行工作的，但是与原子力显微镜不同的是，扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测样品表面的隧道电流来分辨样品表面形貌的，是不需要激光检测装置的。STM信号检测装置相对比较简单，而且主要是测导电样品，非常适合而且很容易在超真空超低温环境下工作。相对而言，原子力显微镜由于需要激光检测装置，需要经常性的更换探针及调节光斑位置，结构要复杂的多，在真空环境下工作有着诸多限制。目前国内的原子力显微镜制造商没有真空环境型原子力显微镜此类产品，国外的主流原子力显微镜制造商也只有少数几家如牛津仪器、日立、RHK等开发有超真空超低温环境控制型原子力显微镜，但是也没有形成量产，价格非常昂贵，动辄需要几百万。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处和当前国内外原子力显微镜的发展趋势，本发明的目的在于提供一种新型的用于真空环境型原子力显微镜的光机结构装置，使原子力显微镜在超真空、超低温环境下工作，并且达到原子级的分辨率，以用于纳米材料研究、生物细胞样本分析、摩擦学和力学微观性能研究等。

本发明提供了一种用于真空环境型原子力显微镜的光机结构装置，具有真空腔体模块、上光学成像及激光检测模块、下光学成像模块；

所述真空腔体模块包括真空腔、压电位移台、压电扫描器、载物片、样品台、探针和探针座；所述真空腔的下底面和上底面分别设有下凹槽和上凹槽；所述压电位移台设置于下凹槽向真空腔内部凸起的右侧，该压电位移台上面固定有压电扫描器；所述压电扫描器上面固定有载物片；所述载物片上与上凹槽和下凹槽的槽底对应处设置有样品台，用于安置样品；所述探针设置在样品台正上方，安装于探针座上；