[发明专利]一种多参数同步测量的开尔文探针力显微镜

摘要

一种多参数同步测量的开尔文探针力显微镜，涉及开尔文探针力显微镜，目的是为了解决传统的开尔文探针力显微镜无法实现样品的表面形貌、力学特性和表面局部电势的同步表征的问题。本发明的直流电源用于产生直流信号，并将该直流信号加载到导电探针与样品之间，信号发生器产生三路相同的信号，频率与导电探针二阶共振频率相同，第一路与任意波发生器产生的信号通加法器叠加后用于控制三号压电控制器，使三号压电控制器驱动探针手上的压电陶瓷；第二路作为参考信号发送至锁相放大器；第三路通过移相器移相90度后加载到导电探针与样品之间；锁相放大器输出的信号发送至上位机。本发明适用于样品的表面形貌、力学特性和表面局部电势的测量。

主权项

1.一种多参数同步测量的开尔文探针力显微镜，包括XY微米定位台(12)、XYZ纳米定位台(13)、开尔文扫描样品台(15)、XYZ微米定位台(8)、一维大量程调整微平台(10)、探针手支架(9)、探针手(7)、上位机、直流电源、任意波发生器、采集卡、信号发生器、移相器、锁相放大器、四象限位置检测器、半导体激光发生器、一号压电控制器、二号压电控制器和三号压电控制器；开尔文扫描样品台(15)固定在XYZ纳米定位台(13)上，XYZ纳米定位台(13)固定在XY微米定位台(12)上；探针手(7)上安装有导电探针(7‑4)和能够带动导电探针(7‑4)沿竖直方向即Z方向移动的压电陶瓷(7‑2)，探针手(7)固定在探针手支架(9)上，探针手支架(9)固定在XYZ微米定位台(8)上，XYZ微米定位台(8)固定在一维大量程调整微平台(10)上；上位机通过一号压电控制器驱动开尔文扫描样品台(15)上的压电陶瓷移动、通过二号压电控制器驱动XYZ纳米定位台(13)上的压电陶瓷移动、通过三号压电控制器驱动探针手(7)上的压电陶瓷移动；半导体激光发生器产生的激光入射至导电探针(7‑4)上，经导电探针(7‑4)反射的激光入射至四象限位置检测器；四象限位置检测器的探测信号通过采集卡发送至上位机，该探测信号还作为反馈信号发送至锁相放大器；直流电源用于在上位机的控制下产生直流信号，并将该直流信号加载到导电探针(7‑4)与样品(15‑8)之间；信号发生器产生三路相同的信号，该信号频率与导电探针(7‑4)的二阶共振频率相同，第一路与任意波发生器产生的信号通加法器叠加后用于控制三号压电控制器，使三号压电控制器驱动探针手(7)上的压电陶瓷(7‑2)；第二路作为参考信号发送至锁相放大器；第三路通过移相器移相90度后加载到导电探针(7‑4)与样品(15‑8)之间；锁相放大器输出的信号通过采集卡发送至上位机，其特征在于，所述上位机内嵌入由软件实现的测量模块，所述测量模块包括以下单元：力检测单元：实时采集四象限位置检测器(4)检测到的导电探针(7‑4)的形变量，并根据该形变量计算导电探针(7‑4)与样品之间的作用力；所述作用力等于形变量与导电探针(7‑4)刚度的乘积；表面形貌及最大压痕深度测量单元：通过一号压电控制器控制开尔文扫描样品台(15)上的压电陶瓷上升，使样品接近导电探针(7‑4)，当导电探针(7‑4)与样品之间的最大作用力达到设定值时，记录开尔文扫描样品台(15)上压电陶瓷的Z向坐标值；同时记录最大压痕深度，所述最大压痕深度等于压电陶瓷(7‑2)从平衡位置点A’到点B的位移与导电探针(7‑4)的形变量之差；导电探针(7‑4)与样品之间的作用力达到设定值时所对应的时间点为B点；所述平衡位置点A’是指在A点之后，导电探针和样品接触过程中，导电探针的力反馈信号等于导电探针和样品未接触时的力反馈信号的时间点；粘附力测量单元：通过三号压电控制器控制压电陶瓷(7‑2)，使导电探针(7‑4)反向移动，并记录反向移动过程中导电探针(7‑4)与样品脱离时所受的作用力，所述作用力即为导电探针(7‑4)与样品之间的最大粘附力；此时所对应的时间点为C点；等效杨氏模量计算单元：将B点和C点之间的力‑压电陶瓷位移数量转换成力‑压痕深度数据，并利用DMT模型拟合，便可得到样品的等效杨氏模量，所述DMT模型为：F为导电探针(7‑4)和样品之间的相互作用力，F_adh为样品和导电探针(7‑4)之间的最大粘附力，R为导电探针(7‑4)的针尖半径，δ为压痕深度，E^*为等效杨氏模量；表面局部电势差测量单元：通过三号压电控制器控制探针手(7)上的压电陶瓷移动，使导电探针(7‑4)继续向上移动一定高度h，h>0，然后使导电探针(7‑4)保持在高度h处；将锁相放大器输出的相位作为反馈信号调节直流电压U_DC的值，使锁相放大器输出的相位信号为零，U_DC是直流电源加载到导电探针和样品之间的直流补偿电压，记录此时的U_DC的值，该U_DC的值即为样品和导电探针之间的表面局部电势差；样品移动单元：通过二号压电控制器驱动XYZ纳米定位台(13)移动至下一个扫描点；所述任意波发生器产生高斯信号，通过该信号控制导电探针上下往复移动。