[发明专利]原子力显微镜一体化双探针快速原位切换测量方法与装置

说明书

本发明涉及原子力显微镜一体化双探针快速原位切换测量方法与装置，包括铰链结构、两个悬臂梁、以及悬臂梁自由端设置的针尖构成的双探针；所述铰链结构为U字型本体，两个末端分别延伸有第一悬臂梁和第二悬臂梁，第一悬臂梁自由端和第二悬臂梁自由端分别设有第一针尖和第二针尖。本发明采用一体化双探针，利用探针夹的驱动功能驱动工作探针工作，因此只需要一套原子力显微镜的运动控制及测量系统就能够实现双探针快速的探针原位切换功能。

技术领域

本发明涉及一种基于原子力显微镜的能够实现快速原位切换的一体化双探针成像、测量方法及其系统，具体说是通过发明一体化双探针及单个探针独立运动控制、检测的方法和系统，实现两根探针工作状态切换时间保持在10秒以内，且切换后针尖的工作点位保持在1微米及以内的精度，从而实现双探针的快速原位切换，并且完成纳米成像与测量。主要用于具有纳米尺度空间分辨率的形貌、力学、电学、化学、生命科学成像和检测等各个领域。

背景技术

典型的原子力显微镜系统，能够利用一根包含微米悬臂梁、纳米针尖的柔性探针来测量针尖与样品之间的相互作用力。其原理如下，激光通过发射器照射到柔性悬臂梁上，悬臂梁背面能够很好的反射激光，反射的激光照射在光电位置传感器上。针尖与样品之间的相互作用力使柔性悬臂梁产生一定的弯曲，导致反射激光光斑在光电位置传感器上的位置发生变化，从而检测出悬臂梁的弯曲。原子力显微镜系统根据悬臂梁的弯曲值作为输入信号进行扫描成像的控制、力学信息的测量等等。

然而，单探针成像和测量有缺点，需要双探针切换成像和测量来进行弥补。例如，高分辨成像过程通常是先利用较粗针尖(例如针尖半径10纳米至1微米)的探针进行大范围粗扫描成像找到目标的大概位置，然后利用较细针尖(例如针尖半径1纳米至10纳米)缩小扫描范围进行高分辨成像。高分辨需要细针尖，但是较细针尖容易磨损和污染，经过大范围高速成像后的较细针尖一般都无法达到高分辨成像的要求，尤其是液体环境复杂、样品具有高粘弹性的生物样品等。较为理想的一种解决方案是先用不易磨损和污染的较粗针尖探针进行大范围高速成像，在确定目标位置后再利用较细针尖探针进行局部高分辨成像。再例如，进行样品的力学特性测量时，针对不同软硬度的样品需要选择合适弹性系数的悬臂梁进行测量，测量较软样品(杨氏模量在1兆帕至500兆帕)选择小弹性系数的探针(0.5牛/米至10牛/米)、测量较硬样品(杨氏模量在200兆帕至2000兆帕)选择大弹性系数探针(5牛/米至40牛/米)，即刚度匹配。对于力学特性跨度较大的样品，比如多种材料混合的异质性样品，一根悬臂梁弹性系数无法同时满足多种力学特性材料的测量要求。较为理想的一种解决方案是采用双探针，利用不同弹性系数的探针对不同力学特性材料区域进行单独测量。再例如，当测量样品表面特异性分子结合力时，需要对探针进行化学修饰，使探针表面携带能够与样品表面的分子产生特异性结合力的化学分子。然而这种化学修饰探针表面的化学分子极易受到污染和破坏，在经过大范围高速成像后修饰探针很可能失去其功能性，因此其较为理想的解决方案同样是采用双探针，先利用一根探针进行大范围高速扫描成像，当找到目标位置后，再利用化学修饰的探针进行特异性分子结合力的测量，保证测量结果的有效性。

目前原子力显微镜双探针切换成像和测量方法都存在各自的弊端，无法满足上述要求。使用最为广泛的方法是先停止成像和测量并让探针远离样品表面，然后人工或者自动更换探针(包括卸探针和安装探针)，再重新寻找样品表面的目标点位并下针进行二次扫描成像和测量。传统方式的换针时间长(十几分钟至十几秒)、重复定位精度差、自动更换探针系统成本高等严重问题。