[发明专利]采用开尔文探针力显微镜进行多参数同步测量的方法

摘要

采用开尔文探针力显微镜进行多参数同步测量的方法，涉及表面形貌、力学特性和表面局部电势的测量技术，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。本发明的导电探针始终保持上下往复移动，在一个运动周期内，导电探针和样品之间的最大相互作用力达到设定值对应的时间点为B点，在B点测量表面形貌图像；电探针从样品表面脱离时为C点，在B点和C点之间利用DMT模型得到等效杨氏模量图像；导电探针和样品脱离后继续上升至设定高度并保持一段时间，在该时间段内测量导电探针和样品之间的表面电势差。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.采用开尔文探针力显微镜进行多参数同步测量的方法，其特征在于，所述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)移动、通过二号压电控制器驱动XYZ纳米定位台(13)移动、通过三号压电控制器驱动探针手(7)上的压电陶瓷(7‑2)移动；半导体激光发生器(18)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(4)；四象限位置检测器(4)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；所述方法为：步骤1、通过三号压电控制器驱动探针手(7)上的压电陶瓷(7‑2)，使导电探针(7‑4)保持上下往复移动；步骤2、通过二号压电控制器驱动XYZ纳米定位台(13)向上伺服移动接近样品，使导电探针(7‑4)与样品(15‑8)接触，并使导电探针和样品之间的最大作用力持续增加，直到导电探针(7‑4)和样品(15‑8)之间的最大相互作用力达到设定值并保持；步骤3、通过二号压电控制器驱动XYZ纳米定位台(13)向下移动，移动距离小于开尔文扫描样品台(15)的量程；步骤4、利用一号压电控制器驱动开尔文扫描样品台(15)代替二号压电控制器驱动XYZ纳米定位台(13)重复步骤2，使导电探针和样品之间的最大相互作用力达到设定值，通过信号发生器给三号压电控制器叠加机械激振U_m，及过移相器向导电探针与样品之间加载交流电压U_ACsin(ωt)，通过直流电源向导电探针与样品之间加载直流补偿电压U_DC；其中，在导电探针的一个运动周期内，导电探针和样品之间的相互作用依次为：步骤4‑1、通过三号压电控制器驱动探针手(7)上的压电陶瓷(7‑2)向下运动，当导电探针和样品之间的吸引力大于导电探针的刚度时导电探针将被吸引下去与样品表面接触，该时间点为A点；步骤4‑2、当导电探针与样品接触后，通过三号压电控制器驱动探针手(7)上的压电陶瓷(7‑2)继续向下运动，使导电探针和样品之间的最大作用力持续增加，直到导电探针和样品之间的最大相互作用力达到设定值，该时间点为B点；通过记录B点开尔文扫描样品台(15)的Z向坐标值，得到样品当前扫描点的表面形貌图像；记录B点导电探针变形和压电陶瓷(7‑2)从平衡位置点A’到点B的位移，得到样品当前扫描点的最大压痕深度图像，最大压痕深度＝压电陶瓷(7‑2)从平衡位置点A’到点B的位移‑导电探针的变形；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；步骤4‑3、控制导电探针反向运动；当导电探针的变形力大于导电探针和样品表面之间的粘附力时导电探针从样品表面突然脱离，该时间点为C点，记录C点导电探针所受的力，作为样品和导电探针之间在当前扫描点的最大粘附力图像；将点B和点C之间的力‑压电陶瓷(7‑2)位移数据转换成力‑导电探针和样品之间的距离数据，并利用DMT模型拟合，便可得到样品在该扫描点的等效杨氏模量图像，所述力是指导电探针所受的力，其中DMT模型如下式所示：式中，F为探针和样品之间的相互作用力，F_adh为样品和探针之间的最大粘附力，R为探针的针尖半径，δ为压痕深度，E^*为等效杨氏模量；根据所述等效杨氏模量与样品的泊松比得到样品的杨氏模量E；步骤4‑4、当导电探针和样品脱离后，导电探针继续上升至设定高度h后停止运动，该时间点为D点，h大于0，并使导电探针在该高度保持一段时间，即D点至E点；在点D和点E之间，将锁相放大器输出的相位作为反馈信号测量导电探针和样品之间的表面电势差；步骤5、通过XYZ纳米定位台(13)移动样品至下一个扫描点；重复步骤4到步骤5，直到扫描完成，得到样品的表面形貌图像、等效杨氏模量图像以及表面电势差图像。