本發(fā)明涉及微納米區(qū)域物性測(cè)量及操控技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于激光檢測(cè)式的雙探針原子力顯微鏡快速逼近裝置及方法。

背景技術(shù)：

微納米技術(shù)尺度范圍為1nm-100nm，在該尺度范圍進(jìn)行物性測(cè)量及操控需要特定的觀測(cè)及操控手段才能進(jìn)行，原子力顯微鏡(AFM)由于其高分辨率、制樣簡(jiǎn)單、適用于不同環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。

但是，傳統(tǒng)的原子力顯微鏡僅僅具有一個(gè)探針，功能十分受限，因此，為了擴(kuò)大其應(yīng)用可能性，目前多采用雙探針原子力顯微鏡。其中，雙探針可形成納米鑷子，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)單探針很難做到的三維空間內(nèi)操控納米物體；雙探針還可充當(dāng)兩電極，對(duì)任意基底表面的樣品實(shí)現(xiàn)微納尺度的電學(xué)性質(zhì)表征，也可某一探針實(shí)現(xiàn)電學(xué)偏壓刺激，而另一探針檢測(cè)該刺激下引起的形貌、電位等響應(yīng)變化，建立樣品的激勵(lì)-響應(yīng)關(guān)系；另外在生物領(lǐng)域，可使用生化抗體表征后的功能化探針作為激勵(lì)，另一探針研究細(xì)胞的抗體應(yīng)答反應(yīng)導(dǎo)致的形貌、表面硬度等變化。目前，實(shí)現(xiàn)雙探針原子力顯微鏡采用的位移檢測(cè)技術(shù)有多種，其中激光檢測(cè)方法由于其較高的檢測(cè)靈敏度，且能兼容市面上商業(yè)化的普通硅制探針，選擇性最廣的優(yōu)點(diǎn)，包括可集成新型的功能化探針比如熱電偶、磁學(xué)探針，因而基于激光檢測(cè)方法的雙探針原子力顯微鏡功能將最為強(qiáng)大，可拓展性最強(qiáng)。

雙探針原子力顯微鏡工作的首要步驟為兩探針的逼近，即調(diào)整兩探針的位置，使得兩探針慢慢均接觸樣品表面。但是，目前激光檢測(cè)式雙探針原子力顯微鏡在探針逼近過(guò)程中，激光光斑位置會(huì)逐漸偏移出探針懸臂梁，因此需要多次調(diào)整激光器位置，所以導(dǎo)致整個(gè)逼近過(guò)程激光調(diào)整非常繁瑣、費(fèi)事。如目前雙探針原子力顯微鏡常用的光路配置主要為激光斜入射光路配置與激光側(cè)入射光路配置。如圖1所示，當(dāng)激光斜入射光路配置時(shí)，探針Z軸往下運(yùn)動(dòng)時(shí)(ΔZ)，激光光斑會(huì)沿著探針長(zhǎng)軸方向漸漸往外偏移(ΔL)，其往外速度接近于Z軸運(yùn)動(dòng)速度。如圖2所示，激光側(cè)入射光路配置時(shí)，探針Z軸往下運(yùn)動(dòng)時(shí)(ΔZ)，激光光斑會(huì)沿著探針短軸方向漸漸往外(ΔW)，其速度雖然小于Z軸運(yùn)動(dòng)速度，但探針懸臂梁寬度較小，容許光斑沿短軸方向運(yùn)動(dòng)行程很小。因而，目前常用的上述兩種光路配置，激光調(diào)整好后，探針Z軸即使移動(dòng)較小的范圍(數(shù)微米)，激光便會(huì)偏移出懸臂梁光斑敏感區(qū)域，導(dǎo)致激光器位置需要重新調(diào)整，整個(gè)逼近過(guò)程需多次調(diào)整激光，且激光器位置需人工調(diào)整，費(fèi)時(shí)費(fèi)勁。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種雙探針原子力顯微鏡快速逼近裝置及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的逼近過(guò)程中需要多次調(diào)整激光、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的技術(shù)問(wèn)題。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供的一種雙探針原子力顯微鏡快速逼近裝置，包括顯微鏡底座，所述顯微鏡底座上設(shè)有檢測(cè)頭基座，所述檢測(cè)頭基座通過(guò)升降組件與所述顯微鏡底座連接，所述顯微鏡底座與所述檢測(cè)頭基座之間設(shè)有樣品掃描平臺(tái)，所述樣品掃描平臺(tái)上設(shè)有用于放置樣品的樣品臺(tái)，所述檢測(cè)頭基座上設(shè)有主探針組件和從探針組件；

所述主探針組件包括主探針，所述主探針連接有第一懸臂梁，所述第一懸臂梁上方設(shè)有第一激光器和第一光電接收器，所述第一懸臂梁連接有XY軸微米定位臺(tái)；

所述從探針組件包括從探針，所述從探針連接有第二懸臂梁，所述第二懸臂梁上方設(shè)有第二激光器、反光鏡和第二光電接收器，所述第二懸臂梁連接有Z軸微米定位臺(tái)；

還包括控制器，所述控制器連接有上位機(jī)，所述控制器連接有所述第一光電接收器和所述第二光電接收器，所述上位機(jī)與所述升降組件、所述樣品掃描平臺(tái)、所述XY軸微米定位臺(tái)及所述Z軸微米定位臺(tái)連接。

進(jìn)一步的，所述檢測(cè)頭基座上方設(shè)有主光學(xué)顯示鏡，所述檢測(cè)頭基座的一側(cè)設(shè)有輔助光學(xué)顯示鏡；

所述主光學(xué)顯示鏡垂直設(shè)置，所述輔助光學(xué)顯示鏡水平設(shè)置，所述主光學(xué)顯示鏡和所述輔助光學(xué)顯示鏡均與所述主探針組件和所述從探針組件相對(duì)設(shè)置。

進(jìn)一步的，所述主探針組件和所述從探針組件位于所述檢測(cè)頭基座上對(duì)稱(chēng)設(shè)置，所述主探針和所述從探針?lè)謩e通過(guò)探針架與所述檢測(cè)頭基座連接；

所述第一激光器、所述第一光電接收器、所述第二激光器和所述第二光電接收器分別連接有手動(dòng)XY軸調(diào)節(jié)架，所述反光鏡與所述檢測(cè)頭基座連接。

進(jìn)一步的，所述升降組件包括電動(dòng)螺桿，所述電動(dòng)螺桿與所述上位機(jī)連接，所述檢測(cè)頭基座上設(shè)有槽孔，所述電動(dòng)螺桿的一端設(shè)于所述槽孔內(nèi)，另一端設(shè)于所述顯微鏡底座內(nèi)。

進(jìn)一步的，所述升降組件包括三根所述電動(dòng)螺桿，三根所述電動(dòng)螺桿位于所述檢測(cè)頭基座上呈等腰三角形分布。

本發(fā)明還提供一種雙探針原子力顯微鏡快速逼近方法，包括以下步驟：

a、主探針沿水平的X軸、Y軸方向調(diào)節(jié)，使主探針靠近從探針，從探針沿垂直的Z軸方向調(diào)節(jié)，使從探針高度低于主探針；

b、分別調(diào)整主探針和從探針的激光器，使激光器的入射光斑位于主探針懸臂梁和從探針懸臂梁的前端中點(diǎn)位置，反射光斑位于光電接收器的十字交叉點(diǎn)，其中，從探針的激光器發(fā)射的光線經(jīng)過(guò)反光鏡反射，光線的光斑垂直射在從探針懸臂梁上；

c、將主探針、從探針、激光器以及光電接收器向下移動(dòng)，即Z軸方向移動(dòng)，根據(jù)光電接收器信號(hào)判斷主探針和從探針是否接觸樣品；

d、首先判斷從探針是否接觸樣品，如是，則執(zhí)行步驟e，若否，則執(zhí)行步驟f；

e、將從探針垂直抬高行程M，跳至執(zhí)行步驟c；

f、判斷主探針是否接觸樣品，如否，則跳至執(zhí)行步驟c，若是，則執(zhí)行步驟g；

g、停止主探針、從探針、激光器以及光電接收器的向下移動(dòng)，將從探針沿Z軸向向下行走，直至從探針與樣品接觸，主探針和從探針均接觸樣品，逼近完成。

進(jìn)一步的，所述步驟a中，調(diào)節(jié)主探針和從探針時(shí)分別通過(guò)垂直設(shè)置和水平設(shè)置的光學(xué)顯微鏡進(jìn)行位置確定。

本發(fā)明提供的一種雙探針原子力顯微鏡快速逼近裝置，主探針和從探針的相對(duì)位置分別通過(guò)XY軸微米定位臺(tái)和Z軸微米定位臺(tái)進(jìn)行調(diào)整，可調(diào)整至微米量級(jí)距離。從探針通過(guò)Z軸微米定位臺(tái)用于調(diào)整主探針和從探針的Z軸相對(duì)位置，其中，通過(guò)反光鏡將從探針的入射光路的光斑以垂直的方式照射到第二懸臂梁上，在Z軸向調(diào)節(jié)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)光斑偏離第二懸臂懸臂梁的狀況。因此，在逼近樣品過(guò)程中，相應(yīng)的第一激光器和第二激光器均只需要一次調(diào)整，之后，無(wú)需再進(jìn)行調(diào)整，第一激光器和第二激光器定位后，再控制主探針和從探針逼近至樣品表面即可，該裝置簡(jiǎn)化了逼近的步驟，加快了逼近調(diào)整過(guò)程，操作時(shí)省時(shí)省力。

本發(fā)明提供的一種雙探針原子力顯微鏡快速逼近方法，該方法將需要Z軸向調(diào)節(jié)的從探針的入射光通過(guò)反光鏡調(diào)整為垂直方向射入，因此，在調(diào)節(jié)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)偏離懸臂梁的現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)于激光器僅需一次調(diào)節(jié)即可，逼近方法得到極大的簡(jiǎn)化，之后，再通過(guò)對(duì)主探針和從探針進(jìn)行微調(diào)，直至兩者均與樣品接觸，即完成逼近操作。

附圖說(shuō)明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中激光斜入射光路的示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)中激光側(cè)入射光路的示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例1提供的雙探針原子力顯微鏡快速逼近裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例1提供的雙探針原子力顯微鏡快速逼近裝置的主探針組件和從探針組件處的結(jié)構(gòu)框圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例1提供的雙探針原子力顯微鏡快速逼近裝置的主探針和從探針處的局部放大圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例2提供的雙探針原子力顯微鏡快速逼近方法的流程框圖。

圖中：

1、顯微鏡底座；2、檢測(cè)頭基座；3、樣品掃描平臺(tái)；4、樣品臺(tái)；5、主探針；6、第一懸臂梁；7、第一激光器；8、第一光電接收器；9、XY軸微米定位臺(tái)；10、從探針；11、第二懸臂梁；12、第二激光器；13、反光鏡；14、第二光電接收器；15、Z軸微米定位臺(tái)；16、控制器；17、上位機(jī)；18、主光學(xué)顯示鏡；19、輔助光學(xué)顯示鏡；20、探針架；21、手動(dòng)XY軸調(diào)節(jié)架；22、電動(dòng)螺桿。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過(guò)具體實(shí)施方式來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。

實(shí)施例1

如圖3-5所示，一種雙探針原子力顯微鏡快速逼近裝置，包括顯微鏡底座1，顯微鏡底座1上設(shè)有檢測(cè)頭基座2，檢測(cè)頭基座2通過(guò)升降組件與顯微鏡底座1連接，顯微鏡底座1與檢測(cè)頭基座2之間設(shè)有樣品掃描平臺(tái)3，樣品掃描平臺(tái)3上設(shè)有用于放置樣品的樣品臺(tái)4，檢測(cè)頭基座2上設(shè)有主探針組件和從探針組件；

主探針組件包括主探針5，主探針5連接有第一懸臂梁6，第一懸臂梁6上方設(shè)有第一激光器7和第一光電接收器8，第一懸臂梁6連接有XY軸微米定位臺(tái)9；

從探針組件包括從探針10，從探針10連接有第二懸臂梁11，第二懸臂梁11上方設(shè)有第二激光器12、反光鏡13和第二光電接收器14，第二懸臂梁11連接有Z軸微米定位臺(tái)15；

還包括控制器16，控制器16連接有上位機(jī)17，控制器16連接有第一光電接收器8和第二光電接收器14，上位機(jī)17與升降組件、樣品掃描平臺(tái)3、XY軸微米定位臺(tái)9及Z軸微米定位臺(tái)15連接。

現(xiàn)有的雙探針原子力顯微鏡，在雙探針逼近樣品調(diào)節(jié)時(shí)，兩個(gè)探針均需要實(shí)現(xiàn)Z軸向(垂直方向)的調(diào)節(jié)，因此，采用激光器的光線采用斜入射或側(cè)入射的方式均可能造成光斑脫離懸臂梁的現(xiàn)象，因此，需要反復(fù)的多次調(diào)整兩個(gè)激光器。

而本發(fā)明提供的雙探針原子力顯微鏡快速逼近裝置，主探針5無(wú)需在Z軸向移動(dòng)調(diào)整，進(jìn)而不會(huì)出現(xiàn)光斑脫離的現(xiàn)象，僅從探針10進(jìn)行Z軸向調(diào)節(jié)，進(jìn)一步的將入射到從探針10的第二懸梁臂上的入射光線通過(guò)反光鏡13反射，入射線垂直射入到第二懸梁臂，進(jìn)而在Z軸向調(diào)節(jié)從探針10的位置時(shí)，垂直入射的光斑位置不變，進(jìn)而也不會(huì)出現(xiàn)脫離的現(xiàn)象，調(diào)節(jié)過(guò)程中，第一激光器7和第二激光器12均只需要一次調(diào)節(jié)即可。

該雙探針原子力顯微鏡快速逼近裝置，使用時(shí)，需要先安裝主探針5和從探針10，同時(shí)需要安全調(diào)整樣品，具體操作方法為：先通過(guò)升降組件提升檢測(cè)頭基座2，檢測(cè)頭基座2提升至最高處與升降組件分離，此時(shí)，在樣品臺(tái)4上放置樣品，在檢測(cè)頭基座2上安裝主探針5和從探針10，最后，再將檢測(cè)頭基座2與升降組件安裝即可。

檢測(cè)頭基座2上方設(shè)有主光學(xué)顯示鏡18，檢測(cè)頭基座2的一側(cè)設(shè)有輔助光學(xué)顯示鏡19；

主光學(xué)顯示鏡18垂直設(shè)置，輔助光學(xué)顯示鏡19水平設(shè)置，主光學(xué)顯示鏡18和輔助光學(xué)顯示鏡19均與主探針組件和從探針組件相對(duì)設(shè)置。

在逼近操作之前，首先安裝主探針組件和從探針組件，之后，對(duì)主探針5和從探針10的位置進(jìn)行“粗調(diào)”，即通過(guò)XY軸微米定位臺(tái)9將主探針5向從探針10方向靠近，之后，在通過(guò)Z軸微米定位臺(tái)15將從探針10向主探針5方向靠近，最終，主探針5與從探針10相互靠近(微米級(jí))，從探針10略低于主探針5。

此步驟中，為了更好的實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的觀察，設(shè)置相應(yīng)的主光學(xué)顯示鏡18和輔助光學(xué)顯示鏡19，兩者分別在垂直方向和水平方向進(jìn)行觀察，在視野范圍內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)地動(dòng)作調(diào)節(jié)。

主探針組件和從探針組件位于檢測(cè)頭基座2上對(duì)稱(chēng)設(shè)置，主探針5和從探針10分別通過(guò)探針架20與檢測(cè)頭基座2連接；

第一激光器7、第一光電接收器8、第二激光器12和第二光電接收器14分別連接有手動(dòng)XY軸調(diào)節(jié)架21，反光鏡13與檢測(cè)頭基座2連接。

主探針組件和從探針組件安裝完成后，通過(guò)XY軸微米定位臺(tái)9和Z軸微米定位臺(tái)15對(duì)主探針5和從探針10進(jìn)行調(diào)節(jié)，之后，需要調(diào)節(jié)第一激光器7和第二激光器12(僅一次調(diào)節(jié))，調(diào)節(jié)完成后，第一激光器7的反射光斑需要落在第一光電接收器8的十字交叉點(diǎn)上，第二激光器12的反射光斑需要落在第二光電接收器14的十字交叉點(diǎn)上。因此，相應(yīng)的設(shè)置手動(dòng)XY軸調(diào)節(jié)架21，可實(shí)現(xiàn)第一激光器7、第一光電接收器8、第二激光器12和第二光電接收器14水平方向的調(diào)節(jié)，方便入射光線和反射光線的調(diào)節(jié)，反光鏡13設(shè)置在檢測(cè)頭基座2上，位置固定無(wú)需進(jìn)行調(diào)節(jié)。

升降組件包括電動(dòng)螺桿22，電動(dòng)螺桿22與上位機(jī)17連接，檢測(cè)頭基座2上設(shè)有槽孔，電動(dòng)螺桿22的一端設(shè)于槽孔內(nèi)，另一端設(shè)于顯微鏡底座1內(nèi)。優(yōu)選的，升降組件包括三根電動(dòng)螺桿22，三根電動(dòng)螺桿22位于檢測(cè)頭基座2上呈等腰三角形分布。

通過(guò)電動(dòng)螺桿22完成對(duì)檢測(cè)頭基座2的升降操作，其中，操作過(guò)程中，檢測(cè)頭基座2在升降到最頂端時(shí)，其可與檢測(cè)頭基座2之間實(shí)現(xiàn)分離，方便對(duì)樣品的安裝調(diào)整，采用電動(dòng)螺桿22調(diào)節(jié)其行程控制精確，控制簡(jiǎn)單快捷。

實(shí)施例2

第一懸臂梁6上的入射光線與反射光線構(gòu)成平面P1，第二懸臂梁11上的入射光線和反射光線構(gòu)成平面P2，平面P1和平面P2相互重合。一般情況下，平面P1和平面P2是相互交叉狀態(tài)，如兩面相互垂直，此種狀態(tài)下，相應(yīng)的激光器和光電接收器等部件分散設(shè)置占用的空間較大，進(jìn)而造成設(shè)備整體占用的空間較大。因此，為了最大限度的節(jié)省空間，平面P1和平面P2采用相互重合的設(shè)置方式，即兩面相互平行且疊加，達(dá)到重合狀態(tài)，進(jìn)而激光器和光電接收器等部件不再分散設(shè)置，位置更加緊湊，使其占用的空間更小。

實(shí)施例3

如圖6所示，一種雙探針原子力顯微鏡快速逼近方法，包括以下步驟：

a、主探針5水平的X軸、Y軸方向調(diào)節(jié)，使主探針5靠近從探針10，從探針10沿垂直的Z軸方向調(diào)節(jié)，使從探針10低于主探針5；

b、分別調(diào)整主探針5和從探針10的激光器，使激光器的入射光斑位于主探針5懸臂梁和從探針10懸臂梁的前端中點(diǎn)位置，反射光斑位于光電接收器的十字交叉點(diǎn)，其中，從探針10的激光器發(fā)射的光線經(jīng)過(guò)反光鏡13反射，光線的光斑垂直射在從探針10懸臂梁上；

c、將主探針5、從探針10、激光器以及光電接收器向下移動(dòng)，即Z軸方向移動(dòng)，根據(jù)光電接收器信號(hào)判斷主探針5和從探針10是否接觸樣品；

d、首先判斷從探針10是否接觸樣品，如是，則執(zhí)行步驟e，若否，則執(zhí)行步驟f；

e、將從探針10垂直抬高行程M，跳至執(zhí)行步驟c；

f、判斷主探針5是否接觸樣品，如否，則跳至執(zhí)行步驟c，若是，則執(zhí)行步驟g；

g、停止主探針5、從探針10、激光器以及光電接收器的向下移動(dòng)，將從探針10沿Z軸向向下行走，直至從探針10與樣品接觸，主探針5和從探針10均接觸樣品，逼近完成。

步驟a中，調(diào)節(jié)主探針5和從探針10時(shí)分別通過(guò)垂直設(shè)置和水平設(shè)置的光學(xué)顯微鏡進(jìn)行位置確定。借助光學(xué)顯微鏡對(duì)主探針5和從探針10進(jìn)行調(diào)節(jié)，可提供高分辨率的光學(xué)圖像，使兩者分別在XY軸方向及Z軸方向相互靠近，可調(diào)節(jié)至數(shù)微米范圍內(nèi)。

以上結(jié)合具體實(shí)施例描述了本發(fā)明的技術(shù)原理。這些描述只是為了解釋本發(fā)明的原理，而不能以任何方式解釋為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制?；诖颂幍慕忉?zhuān)绢I(lǐng)域的技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動(dòng)即可聯(lián)想到本發(fā)明的其它具體實(shí)施方式，這些方式都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。