一种石英音叉原子力显微镜系统技术方案

本发明专利技术公开了一种利用石英音叉控制原子力显微镜针尖和样品间距方法，以及基于该方法搭建的一种石英音叉原子力显微镜系统。该系统包括原子力探针(1)、石英音叉探测器(2)、石英音叉驱动和探测电路(3)、三维样品位置控制器(4)、原子力显微镜控制器(5)以及原子力显微镜的其他装备，如防震隔离，进针马达控制等(6)。其中石英音叉驱动和探测电路(3)包括两个幅度相同但相位相反的信号源A和B，他们的频率和幅度同时可以调节，其中信号源B连接一个电容，信号源A连接石英音叉探测器。石英音叉探测器的另一端和电容的另一端以及一个电阻连接，电阻的另一端接地。电阻两端的电压差通过放大器放大后经锁相输出。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种原子力显微镜系统，该系统的特点是针尖和样品的间距是用石英音叉来控制的。
技术介绍
1986年瑞士苏黎士实验室的Gerd Binning和Heinrich Rohrer研制出世界上第一台原子力显微镜(Atomic Force Microscope,简称AFM)。AFM使人类能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景。它的基本工作原理是利用对微弱力极其敏感的易弯曲的悬臂上的尖端对样品表面进行扫描，尖端与样品表面的相互作用力使得悬臂产生微小的弯曲，利用光杠杆原理检测这种弯曲的信号，并用作反馈；通过保持力的恒定，可以获得恒定力状态下的样品表面的形貌图像。由它衍生出来的各种显微镜，使人们可以直观地观测到纳米级别甚至原子级别的物质结构，从而促进了人类在纳米科技的全面发展。但是在使用原子力显微镜对样品进行观测前，使用者必须调节光杠杆的多个旋钮，才能得到很好的图像，这对操作者的经验、能力有较高的要求。本专利技术提供了一种不需要调节光杠杆就能使用显微镜的方法，所有的调节可以全部在计算机上实现，简化了仪器的操作。
技术实现思路
本专利技术中样品和针尖间的相互作用力可以用石英音叉的压电效应来表征，音叉的输出电信号作为反馈信号来控制样品和针尖间的间距。本专利技术在使用时不需要调节光杠杆，所有的操作可以全部在计算机上实现。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案一种利用石英音叉控制原子力显微镜针尖和样品间距方法，其特征在于，将化学腐蚀而形成的针尖或碳纳米管装在表面涂有电极的石英音叉的一个叉枝上，针尖的方向和石英音叉电极表面方向垂直。石英音叉的电极的一极连接一频率和幅度可调的信号源A,另一极连接一个与音叉的静态电容(shunt capacitance)相同容抗的电容，在电容D的另一端接一个和信号源A具有相反相位的信号源B。在电容和石英音叉连接点接一个从I千欧姆到100千欧姆的电阻R，以及与R并联的一个具有高输入阻抗宽带的放大器C。电阻的另一端接地。放大器C的输出幅度输入原子力显微镜控制器的反馈信号通道，用来控制针尖和样品的间距，而相位可以输入原子力显微镜控制器数据采集通道。—种利用石英音叉控制针尖和样品间距的原子力显微镜系统，其特征在于，该系统包括1.原子力探针，它可以是由化学腐蚀形成的金属针尖或碳纳米管，2.石英音叉探测器3.石英音叉驱动和探测电路，它有两个幅度相同，相位相反的信号源A和B，他们的频率和幅度同时可以调节，其中信号源B连接一个电容D(5-100pF)，信号源A连接石英音叉探测器。石英音叉探测器的另一端和电容D以及一个电阻R连接(1-100千欧姆)。电阻R的另一端接地。电阻R两端的电压差通过放大器放大经锁相输出。4.三维样品位置控制器，可以是三维的压电陶瓷位移致动器。5.原子力显微镜控制器6.原子力显微镜的其他装备，如防震隔离，进针马达控制等。本专利技术利用双信号源补偿电流，减小了石英音叉的静态电容对探测的电信号中的本底电流影响，提高了石英音叉探测器的灵敏度，提高了原子力显微镜的分辨率。附图说明图1是本专利技术一个较佳石英音叉原子力显微镜系统的实施案例的结构模块图；图中各标记分别代表的是1-原子力探针，2-石英音叉探测器，3-石英音叉驱动和探测电路，4-三维样品位置控制器，5-原子力显微镜控制器，6-原子力显微镜的其他装备图2是本专利技术一个较佳的石英音叉驱动和探测电路的实施案例的示意图图中各标记分别代表的是301-幅度和频率可调的信号源，2-石英音叉探测器，302-反向放大器，303-正向放大器，304-电容D，305-电阻R，306-放大器C，308-锁相功能块。具体实施方式以下结合附图及一较佳实施案例对本专利技术的技术方案作进一步的说明。参阅图1，该石英音叉原子力显微镜系统包括原子力探针、石英音叉探测器、石英音叉驱动和探测电路、三维样品位置控制器、原子力显微镜控制器以及原子力显微镜的其他装备组成。原子力显微镜的针尖可以是碳纳米管，也可以是由金或钨丝经化学腐蚀加工而成，长度大约2毫米左右。石英探测器采用在电子器件中共振频率为32. 768千赫的石英音叉。组装时将胶水在玻璃片上抹开成薄膜，然后将石英音叉的头部在玻璃片上一抹，这样在音叉的头部粘上胶水。用粘有胶水的音叉头部和针尖的尾部相接触，形成针尖探测器的复合体。系统工作时，石英探测器在驱动电压的作用下，在共振频率附近作振幅为几个纳米的振动，当针尖接近样品表面时，振幅随着针尖接近表面而减小。石英音叉的驱动和探测电路可以参阅图2 :信号源(301)和反向放大器(302)组成信号源A，信号源(301)和正向放大器(303)组成信号源B。信号源A和B分别连接音叉探测器(2)和电容D (304)。电容D的另一端和探测器(2)的另一端相连，然后接到电阻R(305)的一端，电阻R的另一端接地。当音叉在共振状态时，由于电容D(304)的电流和音叉的静态电容形成的电流在电阻R的一端相互抵消，所以流经电阻R的电流等于通过石英音叉的动态电阻、电容和电感的电流。而电阻R两端的电压正比于电流，该电压经放大器(306)放大后，经过锁相功能模块(307)的作用输出交流信号的幅度和相位。由该幅度和相位可以灵敏地探测石英探测器振动的幅度和相位的改变。将样品置放于三维位移控制器(4)上；当原子力显微镜工作时，原子力显微镜控制器(5)通过控制石英音叉的驱动和探测电路(3)，使石英音叉在共振频率附近振动。驱动设备将针尖逼近样品，当石英音叉的输出电压幅度减小到一定值(如80%)时，驱动设备停止驱动；用音叉的振幅作为控制体统的反馈信号，由三维位移控制器(4)调节样品高度，使得石英音叉(2)保持恒定的振幅。在保持反馈的情况下，扫描三维位移控制器(4)其他二维，记录三维控制器的高度信息和音叉探测器输出信号的相位，形成样品的高度和相位图像。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用石英音叉控制原子力显微镜针尖和样品间距的方法，其特征在于：将针尖或碳纳米管装在表面涂有电极的石英音叉的一个叉枝上，针尖的方向和石英音叉电极表面方向垂直。石英音叉的电极的一极连接一频率和幅度可调的信号源A，另一极连接一个与音叉的静态电容(shunt?capacitance)相同容抗的电容，在电容D的另一端接一个和信号源A具有相反相位的信号源B。在电容和石英音叉连接点接一个从1千欧姆到100千欧姆的电阻R，和与之并联的具有高输入阻抗的高带宽的放大器，电阻的另一端接地。放大器的输出幅度输入原子力显微镜的反馈信号通道，用来控制针尖和样品的间距，而相位则输入数据采集通道。

【技术特征摘要】
1.一种利用石英音叉控制原子力显微镜针尖和样品间距的方法，其特征在于将针尖或碳纳米管装在表面涂有电极的石英音叉的一个叉枝上，针尖的方向和石英音叉电极表面方向垂直。石英音叉的电极的一极连接一频率和幅度可调的信号源A，另一极连接一个与音叉的静态电容(shunt capacitance)相同容抗的电容,在电容D的另一端接一个和信号源A具有相反相位的信号源B。在电容和石英音叉连接点接一个从I千欧姆到100千欧姆的电阻R，和与之并联的具有高输入阻抗的高带宽的放大器，电阻的另一端接地。放大器的输出幅度输入原子力显微镜的反馈信号通道，用来控制针尖和样品的间距，而相位则输入数据采集通道。2.一种石英音叉原子力显微镜系统，其特征在于，它包括原子力探针(I)、石英音叉探测器(2)、石英音叉驱动和探测电路(3)、三维样品位置控制器(4)、原子力显微镜控制器(5)和原子力显微镜的其他装备，如防震隔离、进针马达控制等出)。其中石英音叉驱动和探测电路(3)包括两...

【专利技术属性】
技术研发人员：要华，
申请(专利权)人：楼柿涛，
类型：发明
国别省市：