一個光電耦合環境可控原子力顯微測試系統的製作方法

2023-07-22 03:06:41

本實用新型涉及原子力顯微鏡領域，尤其是一個光電耦合環境可控原子力顯微測試系統。

背景技術：

原子力顯微鏡(AFM)是最強有力的現代表面研究技術之一，AFM主要是通過檢測微懸臂上探針尖端原子與樣品表面原子之間的相互作用力來探測表面或界面在納米尺度上表現出的物理性質和化學性質的新型表面分析儀器，原子力顯微鏡應用非常廣泛，使用環境非常寬鬆，但因AFM檢測樣品種類繁多，各種材料要求條件不同，工作環境難以統一控制，很難滿足各種樣品分析條件的需求。如果可以做到環境測試條件可控，包括環境溼度、特殊氣氛和光激發條件，將會進一步拓展AFM儀器功能應用。

近來為了研究微電子器件的電學傳輸特性，了解其內部的電荷傳輸機理信息，產生了許多基於SPM的電學性質研究的技術和儀器，如原子力顯微鏡電流敏感模式(CSAFM)，開爾文掃描模式(KFM)等技術上可實現對介質微觀表面形貌及電學性質的同時檢測，但是利用AFM研究納米尺度電學性質的工作還有許多問題需要解決：如光電信息的獲取需要外加微擾電壓，目前該類技術尚不能提供光誘導電荷的產生和傳輸過程，也很難捕捉到微弱的電流信號，不能獲取材料的原位實時信息。另外由於空氣中水分的存在會在樣品上形成水膜，導致在施加電壓過程中會電學信息的獲取會引入一些誤差，同時針尖也很容易被氧化，所以對分析微區納米形貌，光電性質等是受限的。目前商用儀器通常功能專一性強，難以達到原位和實時檢測的要求。

技術實現要素：

本實用新型旨在解決上述問題，提供了一個光電耦合環境可控原子力顯微測試系統，它的檢測環境條件可控，避免了樣品受外界不利因素幹擾，可以更準確的獲取樣品表面信息。可原位實時檢測。可以實現原位、實時直觀地檢測樣品微區納米形貌和光電特性分析。可以實現不加光、加光及不同光強度條件激發下材料的內部光電機制研究。在同等偏壓條件下，外光源的引入使得檢測光電學信號增強。操作獨立，鑑於系統搭建是機械耦合，各種功能的應用與原子力顯微鏡成像技術有機地融合為一體，但分別是獨立可控的，採用的技術方案如下：

一個光電耦合環境可控原子力顯微測試系統,其特徵在於，包括：

微懸臂，其末端具有導電探針；

樣品臺，

雷射器，其發出雷射束經過光學系統聚焦在微懸臂背面；

用於檢測由微懸臂背面反射的光斑的位置變化的光斑位置檢測器，

引入光源，

精密四維調整裝置，其使得引入光源發出的引入光的光斑與導電探針掃描區域對焦，其使得引入光以與水平面傾斜的方式射於樣品頂面的掃描區域上或以垂直於水平面的方式射於樣品底面的掃描區域上；

控制系統，其對精密四維調整裝置、雷射器、引入光源進行控制，對光斑位置檢測器接收的信號及通過導電探針的電信號進行採集處理並生成樣品微區形貌和光電學特性信息傳送給顯示器，由顯示器實時顯示。

本實用新型具有如下優點：

1)檢測環境條件可控，避免了樣品受外界不利因素幹擾，可以更準確的獲取樣品表面信息。

2)原位實時檢測。可以實現原位、實時直觀地檢測樣品微區納米形貌和光電特性分析。

3)可以實現不加光、加光及不同光強度條件激發下材料的內部光電機制研究。在同等偏壓條件下，外光源的引入使得檢測光電學信號增強。

4)操作獨立，鑑於系統搭建是機械耦合，各種功能的應用與原子力顯微鏡成像技術有機地融合為一體，但分別是獨立可控的。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一種實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖引伸獲得其它的實施附圖。

圖1：實施例1的結構示意圖(側方位引入光模式)；

圖2：實施例2的結構示意圖(下方位引入光模式)；

具體實施方式

下面結合附圖和實例對本實用新型作進一步說明：

下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型的限制。

實施例1

如圖1所示，一個光電耦合環境可控原子力顯微測試系統,其特徵在於，包括：

微懸臂1，其末端具有導電探針10；

樣品臺2，

雷射器3，其發出雷射束經過光學系統聚焦在微懸臂1背面；

用於檢測由微懸臂背面反射的光斑的位置變化的光斑位置檢測器4，

引入光源5，如採用低功率雷射器532，此時不需要使用聚光鏡6；

精密四維調整裝置8，其使得引入光源5發出的引入光的光斑與導電探針10掃描區域對焦，其使得引入光以與水平面傾斜的方式射於樣品頂面的掃描區域上；精密四維調整裝置8將引入光通過微米級纖徑光纖30將引入光以與水平面傾斜的方式射於樣品頂面的掃描區域上；

控制系統9，其對精密四維調整裝置8、雷射器3、引入光源5進行控制，對光斑位置檢測器4的信號及通過導電探針的電信號進行採集處理並生成樣品微區形貌和光電學特性信息傳送給顯示器，由顯示器20實時顯示。

此處需要說明的是精密四維調整裝置8是一種高精密定位工作檯，通過齒輪、齒條和螺旋的傳動，可實現X、Y、Z軸方向的調節，同時還可進行水平轉角以及垂直仰角的調節。精密四維調整裝置可採用但不僅限於如下形式實施：參見公開(公告)號：CN 103963032A，名稱：「一種大型空間光學遙感器四維調整裝置」或http://www.docin.com/p-538293087.html中所述的四維微調工作檯。因本申請的新創性並不在於精密四維調整裝置，故對精密四維調整裝置的具體結構不作詳述，只要精密四維調整裝置可實現引入光在X、Y、Z軸方向、水平轉角及垂直仰角上的精密調節即可。

在一些檢測中傳統檢測方式由於空氣中水分的存在會在樣品上形成水膜，導致在施加電壓過程中會電學信息的獲取會引入一些誤差，同時導電探針10也很容易被氧化，所以對分析微區納米形貌，光電性質等是受限的。故優選的，所述微懸臂1、樣品臺2、雷射器3、光斑位置檢測器4、引入光源5、聚光鏡6和精密四維調整裝置8設置於一環境條件可控的與外界可相隔絕的檢測空間11內，所述環境條件為真空度、溼度、溫度、含氧量、保護氣類型(如氬氣保護等)中的一種或幾種，所述環境條件由控制系統9根據樣品檢測要求進行控制。

可理解的是檢測空間11的形成可以是一個封閉的箱體甚至是一個與外界相對獨立、隔絕的實驗室，其不受外界環境條件的影響，其內部的環境條件如溫度、溼度、真空度、採用的保護氣等均是可控的，控制的方式如溫度的控制可採用空調等公知並廣泛使用的多樣的空氣加熱裝置進行實現，在此不一一列舉，其它環境條件的控制也是採用公知並廣泛使用的裝置進行實施，如真空度的調節，可通過在箱體(檢測空間)上加載真空泵的方式實施。

優選的，還包括用於調節進入精密四維調整裝置8的吸光入光強度的光強調節裝置7,其設置於引入光源5和精密四維調整裝置8之間。

在該光電耦合環境可控原子力顯微測試系統的系統中，所要檢測的力是原子與原子之間的範德華力。所以在本系統中是使用微懸臂來檢測原子之間力的變化量。微懸臂通常由一個一般100～500μm長和大約500nm～5μm厚的矽片或氮化矽片製成。微懸臂末端有一個導電探針10，用來檢測樣品－導電探針10間的相互作用力。

在該光電耦合環境可控原子力顯微測試系統的系統中，當導電探針10與樣品之間有了交互作用之後，會使得微懸臂1擺動，所以當雷射照射在微懸臂的末端時，其反射光的位置也會因為微懸臂1擺動而有所改變，這就造成偏移量的產生。在整個系統中是依靠光斑位置檢測器4將偏移量記錄下並轉換成電信號，以供控制系統9作信號處理。

聚焦到微懸臂上面的雷射反射到光斑位置檢測器4，通過對落在檢測器四個象限的光強進行計算，可以得到由於表面形貌引起的微懸臂形變量大小，從而得到樣品表面的不同信息。

在該光電耦合環境可控原子力顯微測試系統的系統中，將信號經由光斑位置檢測器4取入之後，在反饋系統中會將此信號當作反饋信號，作為內部的調整信號，並驅使通常由壓電陶瓷管制作的樣品臺2做適當的移動，以使樣品與導電探針10之間保持一定的作用力。

該光電耦合環境可控原子力顯微測試系統的系統使用壓電陶瓷管制作的樣品臺2精確控制微小的掃描移動。當在壓電陶瓷對稱的兩個端面加上電壓時，壓電陶瓷會按特定的方向伸長或縮短。而伸長或縮短的尺寸與所加的電壓的大小成線性關係。也就是說，可以通過改變電壓來控制壓電陶瓷的微小伸縮。通常把三個分別代表X，Y，Z方向的壓電陶瓷塊組成三角架的形狀，通過控制X，Y方向伸縮達到驅動導電探針10在樣品表面掃描的目的；通過控制Z方向壓電陶瓷的伸縮達到控制導電探針10與樣品之間距離的目的。

在該光電耦合環境可控原子力顯微測試系統的系統中，使用微懸臂1來感測導電探針10與樣品之間的相互作用，這作用力會使微懸臂擺動，再利用雷射將光照射在微懸臂1的末端，當擺動形成時，會使反射光的位置改變而造成偏移量，此時光斑位置檢測器4會記錄此偏移量，也會把此時的信號給反饋系統，以利於系統做適當的調整，最後再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現出來。

樣品臺2上的樣本為光電材料，引入光照射在其上後發生電子躍遷，產生微小電流，導電探針10與樣品之間以接觸方式工作，樣品所產生的微小電流通過導電探針10導出傳遞給控制系統。

實施例2

如圖2所示，一個光電耦合環境可控原子力顯微測試系統,其特徵在於，包括：

微懸臂1，其末端具有導電探針10；

樣品臺2，

雷射器3，其發出雷射束經過光學系統聚焦在微懸臂1背面；

用於檢測由微懸臂背面反射的光斑的位置變化的光斑位置檢測器4，

引入光源5，如可採用滷素燈；

精密四維調整裝置8，其使得引入光源5發出的引入光的光斑與導電探針10掃描區域對焦，其使得引入光以垂直於水平面的方式射於樣品底面的掃描區域上；此種情況下微米級纖徑光纖30可從樣品臺2底部穿過樣品臺2，樣品臺2上的樣品由透明玻璃載體和在透明玻璃載體上的光電材料組成，精密四維調整裝置8將引入光通過微米級纖徑光纖30將引入光以垂直於水平面的方式射於樣品底面的掃描區域上；引入光透過透明玻璃載體射於光電材料上，使光電材料發生電子躍遷進而產生微小電流；

用於將引入光源5發出的引入光進行聚焦的聚光鏡6，其設於引入光源5和精密四維調整裝置8之間；

控制系統9，其對精密四維調整裝置8、雷射器3、引入光源5進行控制，對光斑位置檢測器4的信號及通過導電探針的電信號進行採集處理並生成樣品微區形貌和光電學特性信息傳送給顯示器，由顯示器20實時顯示。

在一些檢測中傳統檢測方式由於空氣中水分的存在會在樣品上形成水膜，導致在施加電壓過程中會電學信息的獲取會引入一些誤差，同時導電探針10也很容易被氧化，所以對分析微區納米形貌，光電性質等是受限的。故優選的，所述微懸臂1、樣品臺2、雷射器3、光斑位置檢測器4、引入光源5、聚光鏡6和精密四維調整裝置8設置於一環境條件可控的與外界可相隔絕的檢測空間11內，所述環境條件為真空度、溼度、溫度、含氧量、保護氣類型(如氬氣保護等)中的一種或幾種，所述環境條件由控制系統9根據樣品檢測要求進行控制。

可理解的是檢測空間11的形成可以是一個封閉的箱體甚至是一個與外界相對獨立、隔絕的實驗室，其不受外界環境條件的影響，其內部的環境條件如溫度、溼度、真空度、採用的保護氣等均是可控的，控制的方式如溫度的控制可採用空調等公知並廣泛使用的多樣的空氣加熱裝置進行實現，在此不一一列舉，其它環境條件的控制也是採用公知並廣泛使用的裝置進行實施，如真空度的調節，可通過在箱體(檢測空間)上加載真空泵的方式實施。

本實用新型就以上提及的優選實施例進行了說明，但並非本實用新型的範圍僅限定於這種實施例，本實用新型的範圍由權利要求書確定，包括屬於與本實用新型均等範圍內的多樣修訂及變形。

需要指出的是，權利要求書中記載的附圖符號單純用於輔助對實用新型的理解，不對權利範圍的解釋產生影響，不得根據記載的附圖符號縮窄解釋權利範疇。