本发明专利技术公开了一种基于轻敲模式原子力显微镜的六次谐波成像系统，该系统中第二函数发生器产生正弦谐波信号V1输出给锁相放大器，AFM探针激励器在正弦谐波信号V3作用下振动，激光器产生的光束聚焦到AFM探针激励器的悬臂末端，反射的激光束被光电四象限接收器接收，从而光电四象限接收器输出检测控制信号V4；锁相放大器利用6倍基频信号V1对接收到的检测控制信号V4进行解调放大处理后输出幅度信号V2。AFM控制器以信号V4为输入，输出反馈信号控制扫描器，进而得到样品表面形貌图像，同时记录信号V2形成6次谐波扫描图像。本发明专利技术解决了高次谐波信号与高次共振频率不相符造成的无法激发矩形悬臂的高次共振模态的问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种成像系统，更特别地说，是指一种基于轻敲模式原子力显微镜的六次谐波成像系统。技术背景原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)是一种利用原子、分子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的仪器。原子力显微镜有一根纳米级的探针被固定在可灵敏操控的微米级弹性悬臂上，当探针靠近样品时，其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置。根据扫描样品时探针的偏离量或振动频率重建三维图像，就能间接获得样品表面的形貌或成分信息。传统的轻敲模式原子力显微镜的成像系统中，AFM探针激励器接收AFM控制器输出的单一频率的正弦型信号V3，而该正弦型信号V3的激励频率通常选择为探针(AFM探针激励器的一部分)的第一个共振频率4的附近。探针的振幅信号通过检测控制信号V4输出给AFM控制器，AFM控制器通过控制扫描器的纵向位置来控制探针与样品的距离恒定。AFM控制器根据对扫描器的纵向位移的控制输出信号V5给图形显示器形成形貌图像，用来反映样品表面的形貌。一般轻敲模式原子力显微镜采用硅材料的矩形悬臂。对于矩形悬臂来说，它有一系列的共振频率，通过计算可得到这些频率。如果矩形悬臂的基态共振频率为(即第一个共振频率4)，则其第二共振频率为6. 26Xf1，第三共振频率为17. 54Xf1;……。由于针尖样品作用力所产生的高次谐波信号的频率呔的整数倍)与悬臂的高次共振频率不相符，所以这些高次谐波信号无法激发悬臂的高次共振模态，高次谐波信号作为激励的响应也就无法得到。
技术实现思路
为了解决高次谐波信号与高次共振频率不相符造成的无法激发矩形悬臂的高次共振模态，本专利技术提出一种基于轻敲模式原子力显微镜的六次谐波成像系统。通过改变AFM矩形探针悬臂的外形，使其第二共振频率从6. 26Xf1改变到6Xf1;由此可以使探针与样品相互作用力产生的高次谐波信号中频率为GXf1的信号激发悬臂的第二共振模态，以便获得较大的激励频率为6Xf/的响应信号。利用该6Xf/响应信号获得第六次谐波信号的幅度，使图形显示器中的样品图像更清晰。本专利技术利用高次谐波信息增强方式不影响轻敲模式原子力显微镜的基本的形貌成像，可以在对样品形貌成像的同时进行高次谐波成像。在通过对响应信号的分析后可以获知样品表面的弹性性质等力学信息。本专利技术的一种基于轻敲模式原子力显微镜的六次谐波成像系统，所述轻敲模式原子力显微镜包括有AFM控制器(I)、图形显示器(2)、扫描器(3)、样品台(4)、悬臂(5)、针尖(51)、AFM探针激励器(6)、激光器(7)、光电四象限接收器(8)、锁相放大器(11)、第二函数发生器(12)和第一函数发生器(13)；锁相放大器11第一方面接收光电四象限接收器(8)输出的检测控制信号V4 ;第二方面接收第二函数发生器(12)输出的6倍频正弦谐波信号V1 ;第三方面以6倍频正弦谐波信号V1为参考信号，从检测控制信号V4中提出6倍频的幅度响应信号V2。第二函数发生器(12)依据时钟信号V6产生正弦谐波信号V1给锁相放大器(11)作为参考信号；第一函数发生器(13)第一方面用于产生单一频率的正弦波信号V3作用到AFM探针激励器6 ;第二方面用于产生时钟信号V6，该时钟信号V6用于使第二函数发生器(12)与第一函数发生器(13)在时钟上保持同步。所述的基于轻敲模式原子力显微镜的六次谐波成像系统，其六次谐波成像系统的成像过程为成像过程一初始化，获取AFM探针激励器(6)的第一修正共振频率f/，第一函 数发生器(13)依据输出频率为f/的正弦谐波信号V3给AFM探针激励器(6)；成像过程二 第二函数发生器(12)依据AFM探针激励器(6)的第一修正共振频率产生频率为6Xf/的正弦谐波信号V1输出给锁相放大器(11)；成像过程三AFM探针激励器(6)在正弦谐波信号V3作用下振动，激光器(7)产生的光束聚焦到AFM探针激励器￠)的悬臂末端，反射的激光束被光电四象限接收器(8)接收，从而光电四象限接收器(8)输出检测控制信号V4;成像过程四首先设定锁相放大器(11)工作于谐波检测方式，在该谐波检测方式条件下，解调频率设定为6Xf/ ;然后锁相放大器(11)利用6倍基频信号V1对接收到的检测控制信号V4进行解调放大处理后输出幅度信号V2 ；成像过程五AFM控制器⑴接收检测控制信号V4和幅度信号V2，AFM控制器(I)根据检测控制信号V4来输出启动指令给扫描器(3)，进行样品三维扫描；同时接收处理幅度信号V2，输出图像信号V5给图形显示器(2)。成像过程六图形显示器(2)接收信号V5进行表面形貌成像和6次谐波成像。本专利技术基于轻敲模式原子力显微镜的六次谐波成像系统优点在于(I)通过在原矩形微悬臂上开设矩形通孔52，改变矩形悬臂的外形。在改变外形后，不影响轻敲模式原子力显微镜在外加激励频率等于第一个共振频率时对于样品表面形貌的成像。(2)在改变矩形悬臂外形后，其fVA由6. 26减小到6. 00，当轻敲模式原子力显微镜的工作频率为基频时(即第一共振频率)，它可以对样品表面形貌进行成像，同时针尖样品相互作用所产生的一系列频率为η倍基频的高次谐波信号中的6倍基频信号由于符合了该悬臂的第二共振频率，所以作为激励激发该悬臂的第二共振模态从而获得该激励的响应。(3)利用第一函数发生器13输出的V3作用到AFM探针激励器6，同时第一函数发生器13输出的V6来保证第二函数发生器12的时钟同步，有利于6倍基频信号的采集。(4) AFM控制器I中对V2的处理，图形显示器2中可以显示出6次谐波成像。(5)锁相放大器11利用6倍频信号V1对接收到的检测控制信号V4进行解调放大处理后可以输出探针幅度信号V2给AFM控制器I进行6次谐波成像。(6)本专利技术的高次谐波信息增强方法可以在得到样品表面形貌信息的同时得到样品表面的力学信息，对分辨样品表面的材料差异有帮助。(7)本专利技术的高次谐波信息增强方法的对象可以是轻敲模式原子力显微镜使用的探针，也可以是非接触模式原子力显微镜使用的探针。附图说明图I是本专利技术基于轻敲模式原子力显微镜的六次谐波成像系统的结构图。图2是本专利技术悬臂的结构图。图3是传统轻敲模式原子力显微镜的成像系统扫描的成像图。图4是本专利技术六次谐波成像系统扫描的成像图。具体实施方式参见图I所示，本专利技术是一种基于轻敲模式原子力显微镜的六次谐波成像系统，该系统包括有AFM控制器I、图形显示器2、扫描器3、样品台4、悬臂5、针尖51、AFM探针激励器6、激光器7、光电四象限接收器8、锁相放大器11、第二函数发生器12和第一函数发生器13。(一)AFM 控制器 IAFM控制器I第一方面接收光电四象限接收器8输出的检测控制信号V4 ;第二方面依据检测控制信号V4对扫描器3进行控制；第三方面接收锁相放大器11输出的幅度信号V2 ;第四方面对接收到的检测控制信号V4和幅度信号V2进行处理，得到图像信息V5 ;该图像信息V5经图形显示器2进行显示。(二)图形显示器2在本专利技术中，图形显示器2用于显示成像的结果。(三)扫描器3在本专利技术中，扫描器3上安装有样品台4，扫描器3用于移动样品台4上的样品。(四)样品台4在本专利技术中，样品台4用于承载样品。(五)悬臂5参见图2所示，本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于轻敲模式原子力显微镜的六次谐波成像系统，所述轻敲模式原子力显微镜包括有AFM控制器(I)、图形显示器(2)、扫描器(3)、样品台(4)、悬臂(5)、针尖(51)、AFM探针激励器(6)、激光器(7)、光电四象限接收器(8)，其特征在于还包括有锁相放大器(11)、第二函数发生器(12)和第一函数发生器(13); 锁相放大器(11)第一方面接收光电四象限接收器(8)输出的检测控制信号V4 ;第二方面接收第二函数发生器(12)输出的6倍频正弦谐波信号V1 ;第三方面以6倍频正弦谐波信号V1为参考信号，从检测控制信号V4中提出6倍频的幅度响应信号V2 ； 第二函数发生器(12)依据时钟信号V6产生正弦谐波信号V1给锁相放大器(11)作为参考信号； 第一函数发生器(13)第一方面用于产生单一频率的正弦谐波信号V3作用到AFM探针激励器(6);第二方面用于产生时钟信号V6,该时钟信号V6用于使第二函数发生器(12)与第一函数发生器(13)在时钟上保持同步； 悬臂(5)为矩形梁结构；悬臂(5)上开有矩形孔(52);悬臂(5)的长记为L，单位为微米，宽记为W,单位为微米；矩形孔(52)的长记为Ltl,单位为微米,宽记为Wtl,单位为微米；矩形孔(52)的框边(52A)与悬臂(5)的末端(5A)相距记为D ;悬臂(5)上的矩形孔(52)在尺 寸上的关系为:2.根据权利要求I所述的基于轻敲模式原子力显微镜的六次谐波成像系统，其特征在于第二函数发生器(12)输出的正弦谐波信号V1的频率是单一频率的正弦谐波信号V3频率的6倍。3.根据权利要求I所述的基于轻敲模式原子力显微镜的六次谐波成像系统，其特征在于悬臂(5)最佳尺寸为L = 225 μ m, W ...
【专利技术属性】
技术研发人员：钱建强，王曦，李英姿，王伟，陈注里，阳睿，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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