一種改進(jìn)的掃描探針顯微鏡掃描方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及顯微技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種改進(jìn)的掃描探針顯微鏡掃描方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自1982年掃描隧道顯微鏡STM出現(xiàn)以后，又陸續(xù)發(fā)展出了一系列工作原理相似的新型顯微鏡，主要包括原子力顯微鏡AFM、橫向力顯微鏡LFM、磁力顯微鏡MFM、靜電力顯微鏡EFM、近場光學(xué)顯微鏡SN0M、壓電力顯微鏡PFM、掃描探針聲學(xué)顯微鏡SPAM等，由于它們都是利用探針對被測樣品進(jìn)行掃描的，并在掃描過程中需通過檢測探針與樣品的相互作用(如樣品-探針間的相互作用力等)來得到樣品的相關(guān)性質(zhì)(如形貌、摩擦力、磁疇結(jié)構(gòu)等)，因而它們被統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡SPM。掃描探針顯微鏡通過控制探針對樣品表面掃描，同步檢測和記錄探針與樣品的相互作用信號，從而得到樣品的表面信息，如圖1所示。
[0003]目前掃描探針顯微鏡均采用探針來對樣品表面進(jìn)行逐行往返掃描，進(jìn)而由多個掃描行構(gòu)成一幅完整的樣品表面圖像。理論上，顯微鏡的控制系統(tǒng)通過控制探針對樣品表面的特定區(qū)域掃描η行，每行采集η點(diǎn)探針和樣品的相互作用信號，就可得到該區(qū)域ηΧη個像素點(diǎn)的樣品表面信息，如圖2所示。
[0004]實(shí)際上，為了達(dá)到納米級的分辨率，掃描探針顯微鏡的掃描運(yùn)動也必須具備納米級的控制精度，故目前的掃描探針顯微鏡大都采用壓電陶瓷器件，通過控制加到壓電陶瓷的驅(qū)動電壓大小來實(shí)現(xiàn)探針對樣品表面的高精度掃描。但壓電陶瓷本身具有遲滯特性和蠕變特性，其運(yùn)動狀態(tài)與除了受電壓控制，還與電壓的變化過程(如變化方向、速度等)相關(guān)，故其往返掃描的運(yùn)動軌跡并不完全重合。即使采用位移傳感器來對壓電陶瓷的運(yùn)動進(jìn)行校正或?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動的閉環(huán)控制，但受限于動態(tài)位移傳感器的檢測精度，許多具有位移傳感器的閉環(huán)控制掃描探針顯微鏡，在小范圍高分辨成像時(shí)也會關(guān)閉位移傳感器，以開環(huán)的形式直接驅(qū)動掃描成像。更為重要的是，掃描探針顯微鏡掃描成像時(shí)，樣品與針尖直接接觸或非常接近(距離為0.1納米量級)，針尖與樣品間存在較強(qiáng)的相互作用導(dǎo)致針尖產(chǎn)生彈性變形或扭曲，由于針尖和樣品的相互作用隨掃描方向(即探針運(yùn)動方向)及樣品表面形貌等而改變，針尖在往返掃描的兩個掃描方向會產(chǎn)生不同的變形或扭曲，也會造成探針和樣品在往返掃描相對運(yùn)動軌跡的不重合。
[0005]以掃描探針顯微技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的原子力顯微鏡為例，原子力顯微鏡通過檢測樣品與微懸臂探針針尖間的作用力成像，以獲得樣品的表面形貌，如圖3所示。當(dāng)探針改變掃描方向時(shí)，針尖受到的橫向力的方向也隨之改變，因此探針的扭曲方向完全不同，而且，這種扭曲除了與掃描方向相關(guān)，也與樣品形貌及探針的不對稱性相關(guān)。這種扭曲，會造成探針和樣品在往返掃描的相對運(yùn)動軌跡的不重合。實(shí)際上，即使不是檢測樣品與針尖的作用力的其他掃描探針顯微技術(shù)，在納米尺度上，因針尖與樣品間高度接近所導(dǎo)致的針尖受力形變現(xiàn)象普遍存在。
[0006]由于上述原因，掃描探針顯微鏡在探針的往返兩個方向掃描過程中，只能采集其中一個掃描方向的信號進(jìn)行成像，如圖4所示(圖中，箭頭表示掃描方向)。也就是說，為了得到樣品指定區(qū)域中具有ηΧη個像素點(diǎn)的表面信息圖像，探針需要對樣品表面的該區(qū)域掃描2η行，其中，η個為正向掃描行(圖4中以實(shí)線表示)，每行采集η點(diǎn)探針和樣品的相互作用信號，用于系統(tǒng)成像；η個為返回掃描行(圖4中以虛線表示)，用于使探針回到下一個正向掃描行的起點(diǎn)，準(zhǔn)備開始下一次正向掃描。但掃描探針顯微鏡探針在返回掃描行時(shí)，仍然與樣品相互作用，產(chǎn)生了無效磨損，影響了探針的使用壽命，增加了儀器的使用成本。
[0007]綜上所述，目前的掃描探針顯微鏡在檢測過程中，其控制系統(tǒng)只能采集往返掃描兩個方向中的一個方向信號進(jìn)行成像，而另一個方向雖然不需采集信號，但其探針仍然與樣品相互作用，產(chǎn)生了無效磨損，影響了探針的使用壽命，也增加了顯微鏡的使用成本。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是:提供一種使用壽命長和使用成本低的，改進(jìn)的掃描探針顯微鏡掃描方法。
[0009]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
一種改進(jìn)的掃描探針顯微鏡掃描方法，掃描探針顯微鏡在需要采集信號的正向掃描過程采集探針與樣品的相互作用信息，而在不需要采集信號的返回掃描過程通過改進(jìn)的回程空掃描控制方法，使探針與樣品間的相互作用減弱或使探針與樣品完全分離。
[0010]進(jìn)一步，所述改進(jìn)的回程空掃描控制方法為閉環(huán)回程空掃描控制方法，所述閉環(huán)回程空掃描控制方法，其具體為:
掃描探針顯微鏡在正向掃描行掃描結(jié)束、返回掃描行掃描開始時(shí)，改變掃描探針顯微鏡反饋控制系統(tǒng)的設(shè)定參考點(diǎn)，使反饋控制系統(tǒng)基于新的參考點(diǎn)，輸出對應(yīng)的用于決定探針升降的掃描器垂直方向電壓，使探針和樣品間的相互作用減弱或使探針與樣品完全分離；在返回掃描行掃描結(jié)束、正向掃描行掃描開始時(shí)，掃描探針顯微鏡的反饋控制系統(tǒng)恢復(fù)原有的參考點(diǎn)設(shè)定值，使反饋控制系統(tǒng)回到常規(guī)狀態(tài)，開始下一個正向掃描行掃描。
[0011]進(jìn)一步，所述改進(jìn)的回程空掃描控制方法為開環(huán)回程空掃描控制方法，所述開環(huán)回程空掃描控制方法，其具體為:
掃描探針顯微鏡在正向掃描行掃描結(jié)束、返回掃描行掃描開始時(shí)，關(guān)斷掃描探針顯微鏡的反饋控制系統(tǒng)，通過直接控制用于決定探針升降的掃描器垂直方向電壓，來使探針和樣品間的相互作用減弱或使探針與樣品完全分離；在返回掃描行掃描結(jié)束、正向掃描行掃描開始時(shí)，重新打開掃描探針顯微鏡的反饋控制系統(tǒng)，使反饋控制系統(tǒng)恢復(fù)常規(guī)狀態(tài)，開始下一個正向掃描行掃描。
[0012]進(jìn)一步，所述掃描探針顯微鏡的反饋控制系統(tǒng)采用PID模擬反饋控制系統(tǒng)，所述PID模擬反饋控制系統(tǒng)包括:
模擬輸入端，用于輸入采集到的探針與樣品間的實(shí)際作用力信號；
參考點(diǎn)設(shè)定電路，用于設(shè)定參考點(diǎn)的作用力信號；
減法器電路，用于根據(jù)實(shí)際作用力信號與參考點(diǎn)的作用力信號生成設(shè)定作用力與實(shí)際作用力的誤差信號；
比例放大器、積分器和微分器，用于對減法器電路輸出的誤差信號進(jìn)行模擬信號運(yùn)算處理；
加法器電路，用于將比例放大器、積分器和微分器輸出的信號進(jìn)行合并，以輸出用于決定探針升降的掃描器垂直方向電壓信號；
所述減法器電路的兩個輸入端分別與模擬輸入端和參考點(diǎn)設(shè)定電路連接，所述減法器電路的輸出端分別與比例放大器的輸入端、積分器的輸入端和微分器的輸入端連接，所述比例放大器的輸出端、積分器的輸出端和微分器的輸出端分別與加法器電路的三個輸入端連接。
[0013]進(jìn)一步，所述參考點(diǎn)設(shè)定電路包括:
第一模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，用于將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
第一數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，用于調(diào)節(jié)參考點(diǎn)的作用力設(shè)定值；
第一控制模塊，用于調(diào)節(jié)第一數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的輸出；
所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸出端通過第一控制模塊而與第一數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的輸入端連接，所述第一數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的輸出端與減法器電路的輸入端連接。
[0014]進(jìn)一步，所述掃描探針顯微鏡在正向掃描行掃描結(jié)束、返回掃描行掃描開始時(shí)，通過第一模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、第一控制模塊和第一數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的配合來改變掃描探針顯微鏡反饋控制系統(tǒng)的設(shè)定參考點(diǎn)的作用力設(shè)定值，以降低反饋控制系統(tǒng)輸出的掃描器垂直方向電壓，進(jìn)而使探針和樣品間的相互作用減弱或使探針與樣品完全分離。
[0015]進(jìn)一步，還包括空掃描參考點(diǎn)、切換控制信號輸入端和模擬開關(guān)，所述模擬開關(guān)的輸入端設(shè)有第一切換點(diǎn)和第二切換點(diǎn)，所述第一切換點(diǎn)與參考點(diǎn)設(shè)定電路連接，所述第二切換點(diǎn)與空掃描參考點(diǎn)連接，所述模擬開關(guān)的輸出端與減法器電路的輸入端連接，所述模擬開關(guān)在切換控制信號輸入端輸入的切換控制信號作用下實(shí)現(xiàn)第一切換點(diǎn)與第二切換點(diǎn)之間的相互切換。
[0016]進(jìn)一步，所述掃描探針顯微鏡在正向掃描行掃描結(jié)束、返回掃描行掃描開始時(shí)，通過模擬開關(guān)由第