用于化学成像的原子力显微镜的红外光谱方法及装置制造方法及图纸

提供了用于获得具有低至几纳米的空间分辨率的极高灵敏度的化学成分图的方法及装置。在一些实施例中，能够通过组合三种技术生成该化学成分图：(1)使用红外辐射照射样本，而不是调谐到样本的吸收带；(2)优化调谐到特定靶材的机械耦合效率；(3)优化调谐到特定靶材的谐振检测。通过组合这些步骤可以获得(1)基于独特红外吸收的化学成分图；(2)通过极短距离的针尖

【技术实现步骤摘要】
用于化学成像的原子力显微镜的红外光谱方法及装置
[0001]本申请为2017年10月18日提交的申请号为201780074631.X且专利技术名称为“用于化学成像的原子力显微镜的红外光谱方法及装置”的专利申请的分案申请。


[0002]本说明书涉及一种基于红外光谱的散射原子力显微镜(AFM
‑
IR)，尤其涉及在异质系统(heterogeneoussystem)中获得指示化学组分分布的信息的原子力显微镜。
[0003]AFM
‑
IR是以接近纳米级的分辨率测量和绘制一些表面的光学性质/材料成分的技术。在本申请以及共同专利技术人的美国专利8869602、8680457、8402819、8001830、9134341、8646319、8242448，美国专利申请第13135956中对该技术的各个方面进行描述。上述申请全文引入此文作为参考。

技术介绍

[0004]基于原子力显微镜的红外光谱(AFM
‑
IR)通过使用原子力显微镜的针尖局部检测红外辐射的吸收，提供在纳米长度尺度上的化学表征和成分图。

技术实现思路

[0005]在一些实施例中，提供了用于获得具有低至几纳米的空间分辨率的极高灵敏度的化学成分图的方法及装置。在一些实施例中，能够通过组合三种技术生成该化学成分图：(1)使用红外辐射照射样本，而不是调谐到样本的吸收带；(2)优化调谐到特定靶材的机械耦合效率；(3)优化调谐到特定靶材的谐振检测。通过组合这些步骤可以获得(1)基于独特红外吸收的化学成分图；(2)通过极短距离的针尖
‑
样本相互作用增强的空间分辨率；(3)调谐至特定靶材的谐振放大。在其他实施例中，可以利用这些步骤中的任两个，仍然能够实现空间分辨率和/或灵敏度的实质改进。
[0006]在第一方面的一实施例中，提供一种使用扫描探针显微镜的探针绘制异质样本表面的方法，所述方法包括以下步骤：在第一频率f1振荡所述探针；使所述探针与所述样本的第一区域相互作用；使用红外辐射束照射所述样本；当在所述第一区域与样本材料相互作用时，在频率f
m
调制所述红外辐射束，使得到的边带频率f
sb
实质上等于探针的谐振；测量由于入射在所述样本的红外辐射，在所述边带频率的所述样本的所述第一区域的探针响应；移动所述探针从而与样本的第二区域相互作用，导致所述探针谐振的移位；重调所述调制的频率f
m
，导致移位的边带频率实质上等于移位的探针谐振；在所述第二区域，在移位的边带频率测量由于入射在所述样本的红外辐射的探针响应。在第一方面的另一实施例，样本区域浸在液体中。
[0007]在第一方面的一个实施例中，该方法进一步包括基于测量的探针响应生成样本的成分图的步骤。在第一方面的另一实施例中，该方法还可以包括基于测量的探针响应生成样本的成分图的步骤。在第一方面的另一实施例中，还包括：调节探针相互作用参数从而实质上最大化在第一材料和第二材料的所述探针响应之间的对比的步骤。在第一方面的一实
施例中，能够自动执行重调所述调制的频率的步骤。在第一方面的一实施例中，所述成分图的空间分辨率<10nm。在第一方面的另一实施例中，还包括：在所述探针与所述样本区域相互作用时，测量所述探针的振荡相位的步骤。在第一方面的另一实施例中，还包括：使用所述相位测量调节所述辐射调制频率f
m
的步骤。在第一方面的另一实施例中，所述频率f1实质上对应于探针谐振。在第一方面的另一实施例中，调节所述探针相互作用参数从而在实质上最大化在第一材料和第二材料的所述探针响应之间的对比的步骤。
[0008]在第二方面的一实施例中，提供一种使用扫描探针显微镜的探针绘制异质样本表面的方法，所述方法包括以下步骤：在第一频率f1振荡所述探针；使所述探针与所述样本区域相互作用；在与所述样本区域相互作用时，测量所述探针的振荡相位；基于所述相位测量调节一个或多个探针相互作用参数；使用在频率f
m
调制的红外辐射束照射所述样本；在与所述样本区域相互作用时，调谐所述调制频率f
m
，使得在f1和f
m
之间的边带频率实质上等于的所述探针的谐振；测量对入射至所述样本区域的红外辐射的探针响应。
[0009]在第二方面的另一实施例中，还包括：在包含第二材料组分的样本的第二区域上重复步骤a至步骤 g。在第二方面的另一实施例中，其中，在频率f1测量所述测量的相位。在第二方面的另一实施例中，所述探针显微镜在振幅调制模式下操作，其中，反馈环路试图在给定的设定点振幅下将探针振荡的振幅维持在f1。在第二方面的另一实施例中，所述探针相互作用调节步骤实质上最大化在所述边带频率下测量的所述探针响应。在第二方面的另一实施例中，所述探针相互作用调节步骤实质上最大化在所述样本的两种以上材料组分之间的相位差。在第二方面的另一实施例中，所述测量的相位是在f1和f
m
之间的边带频率下进行测量。在第二方面的另一实施例中，在f1和f
m
之间的边带频率进行所述相位测量，并且，还包括根据所述相位测量调谐所述辐射调制频率f
m
的步骤。在第二方面的另一实施例中，调节探针相互作用参数的步骤与调谐调制频率的步骤能够实质上同时进行，以补偿由于探针相互作用参数的变化引起的探针谐振的移位。在第二方面的另一实施例中，还包括：调谐所述辐射源的发射波长以实质上与所述样本中至少一种材料组分的吸收带重叠的步骤。在第二方面的另一实施例中，还包括：制作所述样本中至少一种材料组分的分布图的步骤。在第二方面的另一实施例中，所述分布图的空间分辨率小于10nm。
[0010]在第三方面的一实施例中，提供一种绘制异质样本表面的方法，包括以下步骤：使探针显微镜的探针与所述样本的区域相互作用；使用在频率f
m
调制的红外辐射束照射所述样本；在与所述样本区域相互作用时，测量所述探针的振荡相位；基于所述相位测量调谐所述调制频率f
m
；测量对于入射至所述样本区域上的红外辐射的探针响应。
[0011]在第三方面的另一实施例中，所述探针在频率f1振荡，并且，在f
m
和f1之间的边带频率测量所述探针响应。在第三方面的另一实施例中，所述频率f
m
实质上对应于所述探针的谐振。在第三方面的另一实施例中，使用锁相环从而基于所述相位测量调节所述调制频率f
m
，其中，所述相位测量是在边带频率执行。在第三方面的另一实施例中，所述相位测量用于调谐所述调制频率f
m
，以确保所述边带频率实质上对应于探针谐振。在第三方面的另一实施例中，还包括：制作所述样本中至少一种材料组分的分布图的步骤。在第三方面的另一实施例中，所述成分图的空间分辨率小于10nm。
[0012]在第四方面的一实施例中，提供一种绘制异质样本表面的方法，所述方法包括以下步骤：在第一频率f1振荡所述探针；使探针显微镜的探本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用扫描探针显微镜绘制样品表面的装置，包括：具有尖的针尖的探针；辐射源；辐射源调制器；探针响应检测器；以及处理元件，所述装置配置为：a，在第一频率f1振荡所述探针；b，使所述探针与所述样本的区域相互作用；c，使用在频率f
m
调制的红外辐射束照射所述样本；d，当在所述第一区域与样本材料相互作用时，在频率f
m
调制所述红外辐射束，使得到的边带频率f
sb
等于所述探针的谐振；e，在所述边带频率测量由于入射在所述样本的红外辐射的所述样本的所述第一区域的探针响应；f，移动所述探针从而与样本的第二区域相互作用，从而引起所述探针谐振的移位；g.调节一个或多个探针相互作用参数从而最大化在第一材料和第二材料的所述探针响应之间的对比，h，在所述第二区域，在移位的边带频率测量由于入射在所述样本的红外辐射的探针响应，i.基于测量的所述探针响应生成所述样本的成分图，其中，所述成分图的空间分辨率<10nm。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述探测响应是测量的相位。3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述测量的相位是在频率f1测量。4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述探针显微镜在振幅调制模式下操作，其中，反馈环路试图在给定的设定点振幅下将探针振荡的振幅维持在f1。5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述探针相互作用调节步骤实质上最大化在所述边带频率下测量的所述探针响应。6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述探针相互作用调节步骤实质上最大化在所述样本的两种以上材料组分之间的相位差。7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述测量的相位是在f1和f
m
之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：凯文，
申请(专利权)人：布鲁克纳米公司，
类型：发明
国别省市：