非接触模式与接触模式协同工作的原子力显微镜控制方法技术

非接触模式与接触模式协同工作的原子力显微镜控制方法，解决现有两种工作模式组合方式存在无法原位表征的问题，属于原子力显微镜技术。本发明专利技术的原子力显微镜的悬臂梁带动探针在样品上方，方法包括：S1、原子力显微镜的悬臂梁带动探针在样品上方设定距离处，激发传感器激发悬臂梁带动探针谐振，测试长程性能；S2、激发传感器停止激发，驱动样品向上运动或探针向下运动进而使样品表面紧贴上方的探针，激励传感器产生激励信号作用于样品和/或探针，测试样品的物理化学特性；S3、激励传感器停止产生激励信号，同时样品或探针回到原位，驱动样品或探针移动使原子力显微镜的悬臂梁带动探针移动至下一个测试位置点，转入S1。转入S1。转入S1。

【技术实现步骤摘要】
非接触模式与接触模式协同工作的原子力显微镜控制方法


[0001]本专利技术涉及一种非接触模式与接触模式协同工作的原子力显微镜控制方法，属于原子力显微镜技术。

技术介绍

[0002]原子力显微镜是纳米尺度材料表面表征的重要设备，其广泛应用于材料、化学、生物、医学、半导体等领域。原子力显微镜根据其工作模式主要分为接触模式和非接触模式。其中，接触模式，是最典型的静态模式，扫描过程中探针紧贴于样品表面，吸引力或者排斥力回直接作用于悬臂梁上，从而实现对表面物理化学特性的测量。而非接触模式根据其使用物理信号种类的不同，可以分为调幅模式、调频模式、力调制模式、高次谐波调制模式以及耗散信号模式等等。
[0003]接触模式是原子力显微镜获取样品表面形貌的最简便方式，Z轴扫描仪保证悬臂在样品表面上的挠度始终不变，形貌信号也据其位置信号生成，接触模式下的导电原子力显微镜、压电力显微镜以及应力应变测试技术等已经成为扫描探针显微镜领域内不可或缺的重要表征技术。
[0004]非接触模式是探针的针尖始终不与样品的表面接触，探针在距离样品表面一定距离内谐振，传感器谐振的物理信号对应样品与探针的距离，将参数带入特定物理模型从而获得相应物理性能，该方法可以最大程度的保护样品表面不受探针的破环，同时具备极高的形貌分辨率。
[0005]原子力显微镜在接触模式或非接触模式任意单一工作模式下已经能够实现优异的性能表征，但如何将两种工作模式有效的结合起来仍然面临许多挑战，现有采用的是先进行非接触模式，获得样品面上所有测试位置点的相应物理性能，探针回到起始测试位置点后，再与样品接触，按照非接触模式的各测试位置点的顺序进行接触模式测试，继续获得样品的其他物理性能，完成样品表面特性测试；针对同一测试位置点，分别进行两种模式扫描会产生漂移，二次扫描或是多种外在设备的介入而无法确定于空间上一固定测试位置点的多场性能表征。所以现有两种工作模式组合方式存在空间上由于机械操作等原因不可避免的造成无法原位表征，在时间上也会造成对各种物理化学性能的表征不具备即时性的问题，从而无法客观的反映出在同一时刻，各物理场之间相互作用的真实关系。

技术实现思路

[0006]针对现有两种工作模式组合方式存在无法原位表征及无法客观的反映出在同一时刻各物理场之间相互作用的真实关系的问题，本专利技术提供一种非接触模式与接触模式协同工作的原子力显微镜控制方法。
[0007]本专利技术的一种非接触模式与接触模式协同工作的原子力显微镜控制方法，原子力显微镜的悬臂梁带动探针在样品上方，所述方法包括：
[0008]S1、原子力显微镜的悬臂梁带动探针在样品上方设定距离处，激发传感器激发悬
臂梁带动探针谐振，测试长程性能；还可以从一种非接触模式切换到另一种非接触模式，使另一种非接触模式传感器激发，测试长程性能。
[0009]S2、激发传感器停止激发，驱动样品向上运动或探针向下运动进而使样品表面紧贴上方的探针，激励传感器产生激励信号作用于样品和/或探针，测试样品的物理化学特性；还可以从一种接触模式切换到另一种接触模式，使另一种接触模式的激励传感器产生激励信号，测试样品的物理化学特性。
[0010]S3、激励传感器停止产生激励信号，同时样品或探针回到原位，驱动样品或探针移动使原子力显微镜的悬臂梁带动探针移动至下一个测试位置点，转入S1。
[0011]本专利技术还可以先接触模式,再非接触模式,具体包括：
[0012]S1、原子力显微镜的悬臂梁带动探针在样品上方设定距离处，驱动样品向上运动或探针向下运动进而使样品表面紧贴上方的探针，激励传感器产生激励信号作用于样品和/或探针，测试样品的物理化学特性；还可以从一种接触模式切换到另一种接触模式，使另一种接触模式的激励传感器产生激励信号，测试样品的物理化学特性。
[0013]S2、激励传感器停止产生激励信号，同时样品或探针回到原位，激发传感器激发悬臂梁带动探针谐振，测试长程性能；还可以从一种非接触模式切换到另一种非接触模式，使另一种非接触模式传感器激发，对样品表面的成像。
[0014]S3、激发传感器停止激发，驱动样品或探针移动使原子力显微镜的悬臂梁带动探针移动至下一个测试位置点，转入S1。
[0015]作为优选，所述物理化学特性包括样品的形貌、力学性能、热学性能、电学性能、光学性能、磁学性能、压电性能、和电化学性能。
[0016]作为优选，所述激励信号包括电学信号、磁学信号、热学信号、光学信号和力学信号。
[0017]作为优选，所述测试长程性能包括：对样品形貌成像、磁场力成像和静电力成像。
[0018]本专利技术的有益效果，本专利技术采用原位快速切换的方法，在同一位置点上调整探针与样品之间的垂直距离依次实现近程与远程性能的原位测量，使原子力显微镜能够在以非接触模式扫描的同时使用接触模式测量样品的物理化学特性。本专利技术对各种物理化学性能的表征具备即时性，且获得的测试性能能够客观的反映出在同一时刻各物理场之间相互作用的真实关系。本专利技术能够解决原子力显微镜非接触模式与接触模式不兼容的问题。
附图说明
[0019]图1为分时激发控制系统的信号时序示意图；
[0020]图2为本专利技术具体实施方式一的原子力显微镜测试性能时的硬件结构示意图，图中1表示探针在非接触模式下的位置，2表示探针在接触模式下的位置；3表示样品；4表示压电扫描管；
[0021]图3为实施例1中执行非接触模式
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接触模式
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非接触模式切换的实时信号。其中，信号1为悬臂梁在分时激发控制系统驱动下实时的位置信号，信号2则为探针与样品之间接触导电的电流信号；
[0022]图4为实施例2中探针与样品之间的应力应变关系图；
[0023]图5为实施例3原子力显微镜扫描HOPG样品的形貌图；
[0024]图6为实施例3中原子力显微镜扫描HOPG样品的电流图。
具体实施方式
[0025]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0026]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0027]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不作为本专利技术的限定。
[0028]本申请的非接触模式与接触模式协同工作的原子力显微镜控制方法，原子力显微镜的悬臂梁带动探针在样品上方，包括：
[0029]步骤1、原子力显微镜的悬臂梁带动探针在样品上方设定距离处，激发传感器激发悬臂梁带动探针谐振，测试长程性能；
[0030]步骤2、激发传感器停止激发，驱动样品向上运动或探针向下运动进而使样品表面紧贴上方的探针，激励传感器产生激励信号作用于样品和/或探针，测试样品的物理化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.非接触模式与接触模式协同工作的原子力显微镜控制方法，其特征在于，原子力显微镜的悬臂梁带动探针在样品上方，所述方法包括：S1、原子力显微镜的悬臂梁带动探针在样品上方设定距离处，激发传感器激发悬臂梁带动探针谐振，测试长程性能；S2、激发传感器停止激发，驱动样品向上运动或探针向下运动进而使样品表面紧贴上方的探针，激励传感器产生激励信号作用于样品和/或探针，测试样品的物理化学特性；S3、激励传感器停止产生激励信号，同时样品或探针回到原位，驱动样品或探针移动使原子力显微镜的悬臂梁带动探针移动至下一个测试位置点，转入S1。2.根据权利要求1所述的非接触模式与接触模式协同工作的原子力显微镜控制方法，其特征在于，所述S1还包括从一种非接触模式切换到另一种非接触模式，使另一种非接触模式传感器激发，测试长程性能。3.根据权利要求1或2所述的非接触模式与接触模式协同工作的原子力显微镜控制方法，其特征在于，所述S2还包括从一种接触模式切换到另一种接触模式，使另一种接触模式的激励传感器产生激励信号，测试样品的物理化学特性。4.非接触模式与接触模式协同工作的原子力显微镜控制方法，其特征在于，原子力显微镜的悬臂梁带动探针在样品上方，所述方法包括：S1、原子力显微镜的悬臂梁带动探针在样品上方设定距离处，驱动样品向上运动或探针向下运动进而使样品表面紧贴上方的探针，激励传感器产生激励信号作用于样品和/或探针，测试样品的物理化学特性；S2、激励传感器停止产生激励...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝立峰，张万硕，赫晓东，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：