一种改进的AFM成像模式300(峰力轻敲(PFT)模式)使用力作为可变反馈，以减小尖端-样本相互作用力，同时保持能够由所有现有AFM操作模式获得的扫描速度。以改进的分辨率和高的样本产量获得样本成像和机械性能映射，其中，模式能够在包括气态的、流体的和真空的各种环境中工作。
【技术实现步骤摘要】
【专利说明】 本申请是国际申请日为2009年11月13日、国际申请号为PCT/US2009/064476、申 请号为200980153270. 3、名称为"操作扫描探针显微镜的方法和装置"的专利技术专利申请的分 案申请。 相关申请的交叉引用 本申请根据35U.S.C. § 119(e)要求2008年11月13日提交的美国临时专利申请 序列号61/114, 399的优先权，上述申请的全部内容明确结合在此，作为参考。
本专利技术针对包括原子力显微镜（AFMs)的扫描探针显微镜（SPMs)。更具体地，本 专利技术针对AFM操作的模式，其在高速下、以低的尖端-样本相互作用力和高分辨率提供力控 制。
技术介绍
诸如原子力显微镜（AFMs)的扫描探针显微镜（SPMs)是下述装置，其通常使用具 有尖端的探针并使所述探针与样本的表面以很低的力相互作用，以下至原子尺寸描述表面 特性。大体上讲，探针引导至样本表面以检测样本特性的变化。通过提供在尖端与样本之 间的相对扫描运动，可以获取样本特定区域上的表面特性数据，并且可以产生样本的相应 映射。 图1中示意性示出了常用的AFM系统。AFM10使用包括具有悬臂15的探针17的 探针装置12。扫描仪24在探针17与样本22之间产生相对运动，同时测量探针-样本的相 互作用。通过这种方式，可以获得样本的图像或其他测量。扫描仪24通常包括一个或更多 个致动器，它们通常产生在3个相互正交方向（XYZ)上的运动。通常，扫描仪24是单个的 整体单元，其包括一个或更多个致动器，用于在全部3个轴向上移动样本或探针，例如压电 管致动器。替代性地，扫描仪可以是多个单独致动器的概念性或物理性组合。一些AFMs将 扫描仪分开成多个部件，例如，移动样本的XY致动器和移动探针的单独的Z致动器。因此， 该仪器能够在探针与样本之间产生相对运动，同时测量如例如在Hansma等U. S.专利No. RE 34, 489 ;Elings 等 U. S?专利 No. 5, 266, 801 ;和 Elings 等 U. S?专利 No. 5, 412, 980 中描述 的样本的地形学或一些其他特性。 明显地，扫描仪24通常包括压电叠堆（在此处通常称为"压电叠层"）或压电管， 其用于在测量的探针与样本表面之间产生相对运动。压电叠层是基于施加到布置于叠层上 的电极上的电压在一个或更多个方向上移动的装置。压电叠层通常与用于导向、约束和/ 或放大压电叠层的运动的机械挠曲结合使用。此外，如在2007年3月16日提交的序列号 为11/687, 304的、专利技术名称为"快速描述SPM扫描仪和操作其的方法"的申请中所描述的， 挠曲用于增加致动器在一个或更多个轴线方向上的刚度。致动器可以联接至探针、样本或 两者。最典型地，致动器组件以在水平的或XY平面内驱动探针或样本的XY致动器和在竖 直或Z方向上驱动探针或样本的Z致动器的形式设置。 在一般构造中，探针17通常联接至振荡致动器或者驱动器16,该驱动器16用于驱 动探针17以悬臂15的共振频率或在接近该频率振荡。替代性装置测量悬臂15的偏转、扭 转或其他特性。探针17通常是具有整体尖端的微加工悬臂17。 -般来说，电子信号从受到SPM控制器20控制的AC信号源18施加，以致使致动 器16(或替代性地扫描仪24)驱动探针17以振荡。探针-样本相互作用通常由通过控制 器20的反馈控制。明显地，致动器16可以联接至扫描仪24和探针17,但可以与探针17的 悬臂15整体地形成为自致动悬臂/探针的一部分。 通常，在通过检测探针17的振荡的一个或更多个特性的变化而监测样本特性时， 选定的探针17受到振荡并与样本22接触，如上所述。就此而言，偏转检测装置25通常用 于朝向探针17的背侧引导光束，之后该光束朝向诸如四象限光电检测器的检测器26反射。 偏转检测器通常是诸如在Hansma等U. S.专利No. RE 34, 489中描述的光学杠杆系统，但也 可以是诸如应变仪、电容传感器等之类的一些其他偏转检测器。装置25的感应光源是通常 的激光，通常为可见或红外激光二极管。感应光束也可以由其他光源产生，例如He-Ne或其 他激光源、超发光二极管（SLD)、LED、光纤或可以聚焦于小的点的任何其他光源。当光束平 移横过检测器26时，适当的信号由信号处理块28处理（例如确定探针17的RMS偏转）。 之后，相互作用信号（例如偏转）传送至控制器20。控制器20处理信号以确定探针17的 振荡中的变化。总体上讲，控制器20在块30处确定误差，之后（例如使用PI增益控制块 32)产生控制信号以保持在尖端与样本（或杠杆15的偏转）之间的相对恒定的相互作用， 通常用于保持探针17的振荡的设定点特性。控制信号通常在例如驱动扫描仪24之前由高 电压放大器34放大。例如，控制器20通常用于保持在设定点的值处的振荡振幅A s，以确保 在尖端与样本之间的大致恒定的力。替代性地，可以使用设定点相位或频率。控制器20也 大体称为控制工作所在的反馈，以保持由设定点限定的恒定目标值。 在控制器20和/或连接的或独立的控制器的单独控制器或系统中还设置有工作 站40。工作站40接收来自控制器的收集的数据，操控在扫描过程中获得的数据，以执行诸 如点选择、曲线拟合以及距离确定操作之类的数据操控操作。该工作站可以将产生的信息 存储于存储器中，使用该信息进行另外计算，和/或将数据显示在适当监视器上，和/或以 有线或无线的方式将数据传送至另一计算机或装置。所述存储器可以包括任何计算机可读 取数据存储介质，示例包括但不局限于计算机RAM、硬盘、网络存储、闪存驱动器或CD ROM。 AFMs可以设计为以各种模式操作，包括接触模式和振荡模式。通过样本被扫描横 过表面时，响应于探针组件的悬臂的偏转，而相对垂直于样本表面上下移动样本和/或探 针组件来完成操作。扫描通常发生在"x-y"平面中，其至少大体平行于样本的表面，而竖直 运动发生在"z"方向上，其垂直于x-y平面。注意到，许多样本具有偏离平坦面的粗糙度、 曲率和倾斜度，因此使用术语"大体平行"。通过这种方式，与该竖直运动相关联的数据可以 被存储，并且之后用于构造对应于样本特性的样本表面的图像，该样本特性被测量，例如表 面地形学。在AFM操作的一个实践模式中，已知为TappingMode? AFM(TappingMode?是本 受让人的商标），尖端以探针相关的悬臂的共振频率或接近共振频率，或者其谐波振荡。反 馈回路试图保持该振荡的振幅恒定，以使"追踪力"，即，由尖端/样本相互作用产生的力最 小化，其通常通过控制尖端-样本分离。替代性反馈装置使相位或振荡频率保持恒定。当 在接触模式中时，这些反馈信号随后被收集、存储并且用作描述样本特性的数据。与其操作模式无关，AFMs可以通过使用压电扫描仪、光学杠杆偏转检测器和使用 光刻技术制造的非常小的悬臂在空气、液体或真空中的各种各样的绝缘或传导表面上获得 下至原子水平的分辨率。由于其分辨率和多用性，AFMs是从半导体制造至生物研宄范围的 许多不同领域中的重要测量装置。注意到，"SPM"和用于特定类型的SPMs的首字母缩写可 以在此处用于指代显微镜装置或相关技术，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种操作扫描探针显微镜(SPM)的方法，包括：在探针与样本之间产生相对运动；检测所述探针的运动；从检测到的探针运动确定基于探针‑样本相互作用的探针偏转，所述探针偏转基本上独立于寄生探针偏转，其中，所述寄生探针偏转由与所述SPM的操作相关联的背景导致，并且其中，所述确定步骤包括通过使用数字控制器从所述检测到的探针运动中减去所述背景；以及使用所述确定步骤实时控制所述SPM。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡焰，胡水清，苏全民，
申请(专利权)人：布鲁克纳米公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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