表面力场分布的探测装置、探测系统及探测方法与流程

本发明涉及分析及测量控制技术领域，特别是涉及一种表面力场分布的探测装置、探测系统及探测方法。

背景技术：

自1986年原子力显微镜发明以来，它已经成为物理、材料、生物等许多纳米科技领域的重要工具。原子力显微镜技术不断更新，在提高空间分辨率、区别材料性质和多环境测量等方面引起了国内外的广泛兴趣。近年来发展的高次谐波技术和多频原子力技术，依靠分析探针的振动响应和振动形式来实现样品的精细表征。这些技术不仅关注了基础本征频率的信号，同时关注了高阶本征频率的信号，重构了探针和样品的相互作用力信息。

在传统的原子力显微镜技术中，原子力显微镜采用接触模式进行相互作用力测量，根据四象限信号可以测得探针和样品接触情况下所受的横向摩擦力或纵向压力。

然而，如何进行探针与待测样品之间非接触的横向和纵向相互作用力场的同时测量，成为目前技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

基于此，有必要针对如何进行探针与待测样品之间非接触的横向和纵向相互作用力场的同时测量，提供一种表面力场分布的探测装置、探测系统及探测方法。

一种表面力场分布的探测装置，所述表面力场探测装置包括压电陶瓷、悬臂梁、针尖及激励激光器，所述压电陶瓷与所述悬臂梁连接，所述针尖设置于悬臂梁远离压电陶瓷的一端，

所述压电陶瓷用于接收电信号，并在所述电信号激励下进行纵向挠曲振动，所述压电陶瓷传递纵向挠曲振动至悬臂梁；

所述激励激光器用于发射第一激光与第二激光照射在所述悬臂梁，使悬臂梁进行横向扭转振动；

所述悬臂梁用于将横向扭转振动与纵向挠曲振动传递到针尖上，使针尖进行横向与纵向的合振动，以探测待测样品的表面力场分布。

在其中一个实施例中，所述激励激光器发射的第一激光与第二激光平行入射到所述悬臂梁表面。

一种表面力场分布的探测系统，包括力检测部件、位置检测部件、反馈控制部件；

所述力检测部件包括信号发生器以及上述任意一项所述的表面力场分布的探测装置，所述信号发生器与表面力场分布的探测装置连接，用于为表面力场分布的探测装置提供电信号，以激励所述针尖振动；

所述位置检测部件用于监测所述针尖在待测样品表面的振动，以获得横向频率偏移信号及纵向频率偏移信号；

所述反馈控制部件用于根据所述横向频率偏移信号及纵向频率偏移信号，反馈控制所述针尖在待测样品表面的振动，得到表面力场分布。

在其中一个实施例中，所述位置检测部件包括检测激光器、光电检测器及锁相放大器，

所述检测激光器发射激光经过表面力场分布的探测装置的悬臂梁反射后，入射到光电检测器；所述光电检测器用于接收悬臂梁反射的激光，并通过所述激光将振动信号转变为电信号；所述锁相放大器用于接收所述电信号进行调制解调，获得所述横向频率偏移信号及纵向频率偏移信号。

一种利用上述所述的表面力场分布的探测系统探测待测样品表面力场分布的探测方法，所述探测方法包括：

通过所述电信号激励所述压电陶瓷进行纵向挠曲振动，并传递所述纵向挠曲振动到悬臂梁；

将第一激光与第二激光照射在所述悬臂梁上，使悬臂梁进行横向扭转振动；

所述悬臂梁传递横向扭转振动与纵向挠曲振动到针尖上，使针尖进行横向与纵向的合振动，用以探测待测样品的表面力场分布。

在其中一个实施例中，所述将第一激光与第二激光照射在所述悬臂梁上，使悬臂梁进行横向扭转振动包括：

所述第一激光与第二激光相位相反，并平行照射在所述悬臂梁的同一表面上。

在其中一个实施例中，所述将第一激光与第二激光照射在所述悬臂梁上，使悬臂梁进行横向扭转振动还包括：

所述第一激光与第二激光相位相同，所述第一激光及第二激光分别从所述悬臂梁相对的两个表面入射，且第一激光与第二激光平行入射。

在其中一个实施例中，所述悬臂梁传递横向扭转振动与纵向挠曲振动到针尖上，使针尖进行横向与纵向的合振动，用以探测待测样品的表面力场分布包括：

检测所述悬臂梁的振动，获得横向振动信号与纵向振动信号；

对所述横向振动信号与纵向振动信号进行调制与解调，获得针尖与待测样品表面的横向作用力的振动频率偏移信号与纵向作用力的振动频率偏移信号；

根据所述横向作用力的振动频率偏移信号与纵向作用力的振动频率偏移信号，得出针尖与待测样品表面的横向作用力与纵向作用力，进而获得待测样品的表面力场分布。

在其中一个实施例中，所述悬臂梁传递横向扭转振动与纵向挠曲振动到针尖上，使针尖进行横向与纵向的合振动，用以探测待测样品的表面力场分布之后，还包括：

利用纵向振动信号作为控制反馈信号，将纵向作用力的振动频率偏移信号与预设值进行比较，使所述纵向作用力的振动频率偏移信号等于预设值，以使纵向作用力场保持恒定状态；

检测在纵向作用力场保持恒定状态的情况下，得到横向作用力的变化，进而得到待测样品的横向力场分布。

在其中一个实施例中，所述第一激光与第二激光强度相同。

上述表面力场分布的探测装置、探测系统及探测方法，在常用的压电陶瓷的基础上增加第一激光与第二激光，其中压电陶瓷接收电信号进行纵向挠曲振动并传递到针尖上，第一激光与第二激光照射在悬臂梁上，使针尖可进行横向扭转振动，从而实现了针尖的横向和纵向的合振动，振动时针尖的动态刚度相对于静态刚度较大，针尖不易吸附到表面，使得针尖与待测样品能够进行非接触测量，并同时测得横向和纵向相互作用力场。采用横向和纵向相互作用力的同时测量可以拓宽原子力显微镜的空间分辨率，进而实现材料表面力场的精确分析。

附图说明

图1为一实施例的表面力场分布的探测装置的结构示意图；

图2为一实施例的表面力场分布的探测系统的结构示意图；

图3为一实施例的表面力场分布的探测方法的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对表面力场分布的探测装置、探测系统及探测方法进行更全面的描述。附图中给出了表面力场分布的探测装置、探测系统及探测方法的首选实施例。但是，表面力场分布的探测装置、探测系统及探测方法可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对表面力场分布的探测装置、探测系统及探测方法的公开内容更加透彻全面。

请参阅图1，在一个实施例中，提供了一种表面力场分布的探测装置100，该表面力场分布的探测装置100包括压电陶瓷102、悬臂梁104、针尖106及激励激光器108。其中，压电陶瓷102与悬臂梁104连接，针尖106设置于悬臂梁104远离压电陶瓷102的一端，压电陶瓷102用于接收电信号，并在电信号的激励下进行纵向挠曲振动，且压电陶瓷102可传递纵向挠曲振动至悬臂梁104。激励激光器108用于发射第一激光与第二激光照射在悬臂梁104，使悬臂梁104进行横向扭转振动。悬臂梁104用于将横向扭转振动与纵向挠曲振动传递到针尖106上，使针尖106进行横向与纵向的合振动，以探测待测样品的表面力场分布。

具体地，悬臂梁104与针尖106构成探针，悬臂梁104分为两端，一端与压电陶瓷102连接，另一端与针尖106连接。压电陶瓷102接收到电信号会产生压缩或者伸长等形状变化，可形成纵向挠曲振动，并通过悬臂梁104传递这种振动方式至针尖106，从而针尖106可以进行纵向挠曲振动。激励激光器108可以发射两束激光，分为第一激光与第二激光。可选地，第一激光与第二激光可照射到悬臂梁104远离针尖106的一端，从而便于更加合理的利用针尖106与压电陶瓷102之间的有限空间，并减少激励激光对针尖106探测端的扰动。另外，第一激光与第二激光也可照射到悬臂梁104的中间位置处，当然，可以理解，只要能使悬臂梁104进行横向扭转振动，第一激光与第二激光在悬臂梁104的照射处还可任意选定。优选地，第一激光与第二激光照射在悬臂梁104的边缘处，从而使得在更低的激光能量下，实现悬臂梁104能够更大幅度的扭转振动。悬臂梁104在两束激光的激励下表面会发热，使得悬臂梁104边缘起伏振动，形成一种横向扭转振动，并传递横向扭转振动至针尖106。

由此可知，针尖106便可以进行横向扭转振动和纵向挠曲振动的合振动，进而对待测样品进行探测，可得到待测样品的表面力场分布。同时悬臂梁104能够相对于压电陶瓷102自由伸出，以使针尖106能对待测样品进行全方位的探测。

可选地，第一激光与第二激光为两束蓝色激光，蓝色激光波长较短，产生的频率高，所含能量大，使得悬臂梁104的横向扭转振动的效果明显，探测数据更精确。可以理解，波长越短，能量越高。当然，也可以选择其它形式的激光，只要能使悬臂梁104进行横向扭转振动即可。

上述表面力场分布的探测装置，在常用的压电陶瓷的基础上增加第一激光与第二激光，其中常用的压电陶瓷接收电信号进行纵向挠曲振动并传递到针尖上，第一激光与第二激光照射在悬臂梁上，使针尖进行横向扭转振动，从而实现了针尖的横向和纵向的合振动。当针尖慢慢靠近待测样品时，针尖由于保持振动状态，动态刚度比静态刚度大，针尖不容易被吸附到待测样品表面，使得针尖与待测样品能够进行非接触测量，并同时可测得横向和纵向相互作用力场。采用横向和纵向相互作用力的同时测量可以拓宽原子力显微镜的空间分辨率，进而实现材料表面力场的精确分析。

进一步地，在一个实施例中，上述激励激光器108发射的第一激光与第二激光平行入射到悬臂梁104表面。第一激光与第二激光平行照射在悬臂梁104相对的两个边缘上，使得悬臂梁104两侧边缘产生的起伏振动相呼应，两侧边缘处的振动方式能合适匹配会使形成的横向扭转振动效果更佳。

请参阅图2，在其中一个实施例中，提供了一种表面力场分布的探测系统，包括力检测部件210、位置检测部件220、反馈控制部件230。其中，力检测部件210包括信号发生器212以及上述任一项实施例的表面力场分布的探测装置100。信号发生器212与表面力场分布的探测装置100连接，用于为表面力场分布的探测装置100提供电信号，以激励针尖106振动。位置检测部件220用于监测针尖106在待测样品表面的振动，以获得横向频率偏移信号及纵向频率偏移信号。反馈控制部件230用于根据横向频率偏移信号及纵向频率偏移信号，反馈控制针尖106在待测样品表面的振动，得到表面力场分布。

具体地，力检测部件210中的信号发生器212提供电信号给表面力场分布的探测装置100的压电陶瓷102，使压电陶瓷102可以进行纵向挠曲振动，并传递振动到针尖106。位置检测部件220用于当针尖106与待测样品之间有了交互作用之后，会使得与针尖106连接的悬臂梁104在振动过程中发生扰动，通过激光照射在悬臂梁104的末端时，其反射光的振动也会因为悬臂梁104的振动变化而有所改变，这就造成频率偏移量的产生。锁相放大器226分别解调横向频率偏移信号及纵向频率偏移信号以便后续处理。反馈控制部件230用于在反馈系统中将纵向振动信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，将纵向频率偏移信号控制在设定值，驱使针尖106做适当的移动，以保持待测样品与针尖106保持一定的作用力，进而得到待测样品的表面力场分布。

上述表面力场分布的探测系统，在常用的压电陶瓷的基础上增加第一激光与第二激光，其中常用的压电陶瓷接收电信号进行纵向挠曲振动并传递到针尖上，第一激光与第二激光照射在悬臂梁上，使针尖进行横向扭转振动，从而实现了针尖的横向和纵向的合振动，探针动态刚度大于静态刚度。当针尖慢慢靠近待测样品时，针尖由于保持振动状态而不会被吸附到待测样品表面，使得针尖与待测样品能够进行非接触测量，并同时可测得横向和纵向相互作用力场。采用横向和纵向相互作用力的同时测量可以拓宽原子力显微镜的空间分辨率，进而实现材料表面力场的精确分析。

进一步地，在一个实施例中，位置检测部件220包括检测激光器222、光电检测器224及锁相放大器226。检测激光器222发射激光经过表面力场分布的探测装置100的悬臂梁104反射后，入射到光电检测器224。光电检测器224用于接收悬臂梁104反射的激光，并通过激光将振动信号转变为电信号。锁相放大器226用于接收电信号进行调制解调，获得横向频率偏移信号及纵向频率偏移信号。

具体地，在初始状态下，悬臂梁104的振动是按照电信号的频率和第一激光与第二激光的频率的合频率进行振动，但是当针尖106开始与待测样品产生作用力时，振动频率便开始改变。此时，悬臂梁104的振动由照射在悬臂梁104前端的检测激光器222发射的红色激光光斑，通过反射到光电检测器224上进行检测。光电检测器224将横向振动信号和纵向振动信号转变为电信号输出，利用锁相放大器226对横向振动信号与纵向振动信号分别进行两个方向的调制解调，得到各自振动方向上在受到针尖-样品表面作用力的振动频率偏移信号δf1、δf2。忽略两个振动方向响应信号之间的耦合作用，可以根据振动频率偏移信号分别计算在不同方向上的针尖106受力，从而得到待测样品定点的横向和纵向表面力场分布。

请参阅图3，在其中一个实施例中，提供了一种利用上述任一项实施例的表面力场分布的探测系统探测待测样品表面力场分布的探测方法，该探测方法包括：

步骤302，通过电信号激励压电陶瓷进行纵向挠曲振动，并传递纵向挠曲振动到悬臂梁。

具体地，当在压电陶瓷相对的两个端面加上电信号时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺寸与所加的电信号的大小成线性关系。即可以通过改变电信号大小来控制压电陶瓷的微小伸缩。因此，采用电信号可以使压电陶瓷进行纵向挠曲振动，并传递振动给与之连接的悬臂梁上。

步骤304，将第一激光与第二激光照射在悬臂梁上，使悬臂梁进行横向扭转振动。

具体地，激光照射到悬臂梁上，且第一激光与第二激光照射在悬臂梁的边缘处，悬臂梁在两束激光的激励下表面会发热，使得悬臂梁边缘起伏振动，形成一种横向扭曲振动，并传递横向扭曲振动至针尖。

步骤306，悬臂梁传递横向扭转振动与纵向挠曲振动到针尖上，使针尖进行横向与纵向的合振动，用以探测待测样品的表面力场分布。

具体地，针尖还未与待测样品靠近时，针尖是跟随电信号的频率与激光的频率进行合振动。一旦针尖开始与待测样品产生作用力时，针尖的频率开始变化。根据前后频率偏移的变化值可以计算出待测样品表面定点的横向与纵向表面的力场分布。

上述表面力场分布的探测方法，在常用的压电陶瓷的基础上增加第一激光与第二激光，其中常用的压电陶瓷接收电信号进行纵向挠曲振动并传递到针尖上，第一激光与第二激光照射在悬臂梁上，使针尖进行横向扭转振动，从而实现了针尖的横向和纵向的合振动，探针动态刚度大于静态刚度。当针尖慢慢靠近待测样品时，针尖由于保持振动状态而不会被吸附到待测样品表面，使得针尖与待测样品能够进行非接触测量，并同时可测得横向和纵向相互作用力场。采用横向和纵向相互作用力的同时测量可以拓宽原子力显微镜的空间分辨率，进而实现材料表面力场的精确分析。

进一步地，第一激光与第二激光同时入射，强度相同，频率是针尖的一阶扭转频率。第一激光与第二激光想要使针尖产生振动，需要使第一激光与第二激光和针尖进行合理的匹配，比如，激光的频率需要与针尖的一阶扭转频率相一致，由此针尖才可以进行横向扭转振动，当然，第一激光与第二激光也需要合适的匹配，因此使两者同时入射，且强度相同，可以使振动效果更佳。

作为一种可选地实施方式，涉及第一激光与第二激光的一种入射方向，在本实施例中，步骤304包括：第一激光与第二激光相位相反，并平行照射在所述悬臂梁的同一表面上。

具体地，悬臂梁包括相对的两端，一端连接针尖，第一激光与第二激光从悬臂梁的另一端入射，且第一激光与第二激光照射在悬臂梁的同一表面上，由于悬臂梁在激光的激励下表面发热会使得边缘起伏振动，并且第一激光与第二激光的相位相反，由此可知，悬臂梁被激光照射的相对的两侧边缘处的振动方向相反，从而使悬臂梁进行横向扭转振动。

作为另一种可选的实施方式，涉及第一激光与第二激光的另一种入射方向，在本实施例中，步骤304还包括：第一激光与第二激光相位相同，第一激光及第二激光分别从悬臂梁相对的两个表面入射，且第一激光与第二激光平行入射。与上一个实施例的原理相似，只是将第一激光与第二激光分别从悬臂梁相对的两个表面入射，并且第一激光与第二激光相位相同，可以理解，第一激光与第二激光入射方向相反但相位一致，同样可以使悬臂梁进行横向扭转振动。

在其中一个实例中，公开了探测待测样品的表面力场分布的具体过程。其中，步骤306包括：检测悬臂梁的振动，获得横向振动信号与纵向振动信号。对横向振动信号与纵向振动信号进行调制与解调，获得针尖与待测样品表面的横向作用力的振动频率偏移信号与纵向作用力的振动频率偏移信号。根据横向作用力的振动频率偏移信号与纵向作用力的振动频率偏移信号得出针尖与待测样品表面的横向作用力与纵向作用力，进而获得待测样品的表面力场分布。

具体地，在初始状态下，悬臂梁的振动是按照电信号的频率进行振动，但是当针尖开始与待测样品产生作用力时，振动频率便开始改变。此时，悬臂梁的振动由照射在悬臂梁前端的激光发射器发射的红色激光光斑，通过反射到光电检测器上进行检测。光电检测器将横向振动信号和纵向振动信号转变为电信号输出，利用锁相放大器对横向振动信号与纵向振动信号分别进行两个方向的调制解调，得到各自振动方向上在受到针尖-样品表面作用力的振动频率偏移信号。忽略两个振动方向响应信号之间的耦合作用，可以根据振动频率偏移信号分别计算在不同方向上的针尖受力，从而得到待测样品定点的横向和纵向表面力场分布。

在其中一个实施例中，利用纵向振动信号作为控制反馈信号，将纵向作用力的振动频率偏移信号与预设值进行比较，使纵向作用力的振动频率偏移信号等于预设值，以使纵向作用力场保持恒定状态；检测在纵向作用力场保持恒定状态的情况下，得到横向作用力的变化，进而得到待测样品的横向力场分布。

在原子力显微镜的系统中，将悬臂梁的振动形式经由光电检测器取入之后，在反馈系统中会将纵向振动信号当作控制反馈信号，作为内部的调整信号，通过将纵向作用力的振动频率偏移信号与预设值进行比较，使纵向作用力的振动频率偏移信号等于预设值，进而驱使悬臂梁做适当的移动，以使待测样品与针尖保持一定的作用力。保持纵向作用力场的恒定状态，针尖探测得到的数据就是针尖与待测样品的横向作用力，根据横向作用力的不同得到待测样品横向力场分布。预设值可根据针尖探测的精度进行设置。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。