基于原子力显微镜技术的测量衬底上柔软样品高度的方法技术

一种基于原子力显微镜技术的测量衬底上柔软样品高度的方法，将导电针尖装入针尖支架上并与外界电源相连，针尖支架与仪器的其他接地部分绝缘，先调节参数得到稳定的成像，然后将０～±１５Ｖ、频率为２００～３００ＫＨｚ的交流电加在针尖上；通过调节Ａｓｐ参数或插入扫描频道中的扫描高度参数来改变针尖高度的两种途径，得到被测样品的高度。本发明专利技术的方法由于静电力的导入扩大了针尖与样品的距离，使针尖在垂直方向上的位移更容易控制，可以在不同的高度上稳定成像，在柔软的生物样品的高度测量上更有优势。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，解决原子力显微镜中由于针尖压力引起的柔软样品的高度变形问题。AFM是利用针尖和样品间的范德华力进行成像，而范德华力的作用范围很小，所以针尖只有在很靠近样品表面的高度才能稳定成像。如果在导电AFM针尖上加一定的偏压，如静电力显微镜(C.Go′mez-Navarro，F.Moreno-Herrero，P.J.de Pablo，J.Colchero，J.Go′mez-Herrero，A.M.Baro′.PNAS 2002；99(13)8484-8487)和扫描极化力显微镜(Hu J.，Xiao X.，Salmeron M.Appl.Phys.Lett.1995；67(4)476-478)，针尖与样品之间能诱导形成电场，与范德华力相比，电场力更强，作用范围也更远。这种电场力叠加在范德华力上扩大了针尖与样品的有效作用距离，缺点是由于受到针尖和样品间距的限制，横向分辨率较低。静电力显微镜和磁力显微镜中使用抬高模式(lift mode)开两个频道，在主扫描频道中以轻敲模式对样品的表面形貌成像，完成一行扫描线后，将反馈系统关闭，在主扫描得到的高度信息的基础上，改变插入扫描频道中的扫描高度参数，抬高针尖的位置，然后对样品上同一位置进行扫描，如此反复进行，直到扫描完一幅完整的图，得到样品表面电学或磁学方面的信息，但这种方法没有应用于测量衬底上柔软样品的高度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种新的，克服由于针尖压力引起的柔软样品的高度变形问题，使成像稳定，测量更为精确。为实现这样的目的，本专利技术的技术方案中，采用在针尖上外加静电力的方法，通过调节Asp参数(加在针尖上的力的大小)或插入扫描频道中的扫描高度参数来改变针尖高度，使针尖可以在不同的高度上稳定成像，从样品的上表面起到衬底结束，针尖在垂直方向上的位移作为衬底上被测样品的高度。本专利技术的具体方法如下(1)将导电针尖装入针尖支架上并与外界电源相连，针尖支架与仪器的其他部分绝缘，仪器的其他部分接地。先调节参数如Asp和增益(gain)得到稳定的成像，然后通过函数发生器将0～+15V、频率为200～300KHz的交流电加在针尖上，针尖与样品之间产生诱导电场。针尖上外加电压频率和幅度的选择是因为在直流的情况下，静电力随表面电荷的聚集而不断增大，使针尖的位置不断漂移，成像不稳定，所以一般情况下不使用直流电。如果使用高频交流成像，当频率升到KHz以上时，移动电荷的作用就不那么明显了。使用的频率只要不与针尖的驱动频率发生共振，对力曲线的影响大致相同，在实验中使用200～300KHz的交流电。不论是直流电还是交流电，所加电压在0～+15V范围内，电压越大，产生的静电力越大，作用距离越远。针尖上设置的力Asp的选择Asp的设置对成像效果也有明显的影响。Asp设置得越大，针尖距离表面越远，直到最后无法对样品的形貌成像；Asp设置得越小，针尖越靠近表面。(2)通过调节Asp参数或插入扫描频道中的扫描高度参数来改变针尖高度两种途径，得到被测样品的高度。途径一通过调节Asp的方法改变针尖的高度。首先是确定Asp的变化值与针尖和样品间距d的关系将Asp变化一定的值，所得空白区域定点扫描的截面图上呈阶梯状，测量台阶间距，得出Asp的变化值与针尖在Z轴上位移的关系，在一定范围内，这应是线型关系。然后测量样品高度先设置较大的Asp使针尖远离样品，不断减小Asp，从样品的上表面开始到衬底表面结束，从Asp的差值可以算出针尖的位移，这一段距离就是样品的高度。途径二通过调节插入扫描中的扫描高度参数来改变针尖高度。在主扫描中，调节所加的偏压或Asp使针尖远离样品，使样品在图像上没有反差，这样维持针尖在一个恒定的高度；而在插入扫描中，不断减小扫描高度参数，从样品的上表面开始到衬底表面结束，扫描高度参数的差值就是样品的高度。测量样品高度本专利技术的方法具有显著的优点。由于静电力的导入扩大了针尖与样品的距离，使针尖在垂直方向上的位移更容易控制，可以在不同的高度上稳定成像。这种新的测量高度的方法，在柔软的生物样品的高度测量上更有优势。由于原子间的排斥力只在几个的距离内起作用，针尖的抬升使排斥力迅速减小，也就是样品所受到的压力减小，所以发生的形变也随之减小。按照途径一测量胶体金颗粒的高度。将Asp从0.33V变化到0.23V，所得空白区域定点扫描的截面图上台阶间距是1.1nm，可知Asp每变化1V，针尖的位置在Z轴上变化11nm。然后测量某一个胶体金颗粒的高度，从胶体金颗粒的上表面开始到衬底结束，Asp的值从0.70V减小到0.28V，变化了0.42V，从而算出金颗粒的高度是0.42V×11nm/V＝4.6nm，与轻敲模式AFM中的测量结果4.5nm类似。按照途径二，即通过改变插入扫描频道中扫描高度参数来测量胶体金颗粒的高度。从胶体金颗粒的上表面开始到衬底结束，扫描高度参数从0nm减小到-3.5nm，即针尖在Z轴上下降了3.5nm，也就是金颗粒的高度，与在轻敲模式AFM中的结果3.5nm类似。这两种途径测量的胶体金颗粒的高度都与一般轻敲模式AFM中的测得结果类似。按照途径一测量dsDNA的高度。Asp从0.86V变化到0.76V，截面图上台阶间距是0.8nm，可知Asp每变化1V，针尖的位置在Z轴上变化8nm。然后测量某一根dsDNA的高度，从DNA的上表面开始到衬底结束，Asp的值从0.90V减小到0.75V，变化了0.15V，从而算出dsDNA的高度是0.15V×8nm/V＝1.2nm，而轻敲模式AFM中测得的最大高度为0.7nm。按照途径二测量dsDNA的高度，从DNA的上表面开始到衬底结束，扫描高度参数从-2.1nm变化到-3.2nm，针尖在Z轴上下降了1.1nm，即dsDNA的高度，而轻敲模式AFM中测得的最大高度为0.7nm。这两种途径测量的dsDNA高度都比一般轻敲模式AFM中测得结果要高。权利要求1.一种，其特征在于包括(1)将导电针尖装入针尖支架上并与外界电源相连，针尖支架与仪器的其他接地部分绝缘，先调节参数得到稳定的成像，然后将0～±15V、频率为200～300KHz的交流电加在针尖上；(2)通过调节Asp参数或插入扫描频道中的扫描高度参数来改变针尖高度的两种途径，得到被测样品的高度。2.如权利要求1所说的，其特征在于通过调节Asp的方法改变针尖的高度时，首先将Asp变化一定的值，所得空白区域定点扫描的截面图上呈阶梯状，测量台阶间距，得出Asp的变化值与针尖在Z轴上位移的关系，据此确定Asp与针尖和样品间距d的关系，然后设置较大的Asp使针尖远离样品，不断减小Asp，从样品的上表面开始到衬底表面结束，从Asp的差值算出针尖的位移，得到样品的高度。3.如权利要求1所说的，其特征在于通过调节插入扫描中的扫描高度参数来改变针尖高度时，在主扫描中，调节所加的偏压或Asp使针尖远离样品，使样品在图像上没有反差，这样维持针尖在一个恒定的高度，而在插入扫描中，不断减小扫描高度参数，从样品的上表面开始到衬底表面结束，扫描高度参数的差值就是样品的高度。全文摘要一种，将导电针尖装入针尖支架上并与外界电源相连，针尖支架与仪器的其他接地部分绝缘，先调节参数得到稳定的成像，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于原子力显微镜技术的测量衬底上柔软样品高度的方法，其特征在于包括： （１）将导电针尖装入针尖支架上并与外界电源相连，针尖支架与仪器的其他接地部分绝缘，先调节参数得到稳定的成像，然后将０～±１５Ｖ、频率为２００～３００ＫＨｚ的交流电加在针尖上； （２）通过调节Ａｓｐ参数或插入扫描频道中的扫描高度参数来改变针尖高度的两种途径，得到被测样品的高度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓军，孙洁林，胡钧，李民乾，何品刚，方禹之，胡晓芳，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]