基于原子力显微镜的可控探测深度红外光谱的方法及装置与流程

优选实施例涉及进行纳米光学和光谱测量，更具体地，涉及使用afm-ir来获取指示化学成分分布的信息，优选地在异构系统(heterogenous systems)中。

背景技术：

1、afm-ir是一种有用的技术，其用于测量和映射分辨率接近纳米级的某些表面的光学特性/材料组成。图1示出现有技术中afm-ir的实施，作为接触模式afm(图1a)或轻敲模式tmafm(图1b)运行。在图1a中，afm-ir系统10包括具有尖端21的探针20，尖端21在感兴趣区域17处与样品16相互作用。邻近探针悬臂的虚线表示探针20的接触共振。在操作中，ir源11将ir电磁能束12引向样品/尖端相互作用区域。样品将发生反应(由于ir吸收)，并且可以使用光学偏转检测装置检测接触共振的相应变化。这种配置包括将激光束22引导到探针悬臂的背面，从而使其朝向检测器24(例如，象限光电二极管)反弹。检测到的偏转被传输到处理器/控制器69，以确定接触共振变化，从而提供一个或多个样品特性的指示。图1b类似。轻敲模式tmafm-ir系统39包括探针43，探针43具有基本上位于杠杆46的远端的尖端44。探针43被驱动以与激发压电元件48的源56振荡。使用光学偏转检测装置检测响应于指向样品的感兴趣区域42处的尖端-样品相互作用区的电磁能40的振荡变化。尤其，来自激光器50的激光束被引向探针杆的背面，偏转的光束52被引向与处理器/控制器58通信以测量偏转的检测器54。这些afm-ir现有技术系统被称为可在低于1mhz下操作的下悬臂模式系统(第1-3模式)。

2、红外光谱学和扫描探针显微镜(spm)已经结合起来，以执行一种光谱学方法，该方法将红外光源(例如，可调谐自由电子激光器、光学参量振荡器或量子级联激光器)与原子力显微镜(afm)集成，原子力显微镜具有测量样品对红外光的局部吸收的尖锐探针。在这方面的传统技术通常基于接触模式afm，并且从样品在光吸收期间膨胀(或收缩)时发生的接触共振振荡中提取吸收信号。发展已经将这些基于光热afm的技术的空间分辨率从微米提高到100nm。最近，使用红外照明的基于轻敲模式的afm技术已被证明可产生低至10nm的空间分辨率。在此，据称潜在的机制是afm探针和样品之间的光致图像力。

3、通常，可以监测被测样品与电磁能之间的相互作用，以获得有关样品的信息。在光谱学中，光通过样品的透射或其从样品的反射会导致作为波长函数的透射或反射强度的样品特征图。这种光谱信息允许用户确定样品的物理特性，例如化学成分或温度。

4、值得注意的是，在纳米尺度上进行具有空间分辨率的光谱测量正在继续改进。然而，尽管在空间分辨率超过衍射极限的成像技术的发展方面取得了进展，但同时在分子水平上提供化学特异性和灵敏度的光谱技术仍然具有挑战性。

5、spm正在促进这一领域的改进。afm是典型地使用具有尖端的探针的装置，该探针使尖端以适当的力与样品表面相互作用，以将表面表征到原子尺寸。通常，探针被引入样品表面以检测样品特性的变化。通过提供尖端和样品之间的相对扫描运动，可以在样品的特定区域上获取表面特征数据，并且可以生成样品的对应图。

6、美国专利8869602、8680457、8402819、8001830、9134341、8646319、8242448和美国专利申请13/135956、15/348848和62/418886中描述了afm-ir技术的各个方面，这些专利由普通发明人共同拥有，并与本技术共同拥有。这些申请通过引用全部并入。

7、在传统的afm-ir技术中，样品制备可能是一个挑战。该技术依赖于测量由红外照明的吸收产生的样品膨胀，这会导致样品的加热。确保热膨胀在afm悬臂中产生运动，这是通过典型的afm偏转检测技术测量的。信号的强度取决于与样品和悬臂相关的多个参数，例如悬臂的弹簧常数、样品的热膨胀系数和ir照明的穿透深度。对于具有厚吸收区域的样品，afm-ir信号可能很强，但由于样品内的热扩散导致非局部(由afm尖端的尺寸定义)样品膨胀，空间分辨率可能会降低。通过在非吸收性或低热膨胀基底上制备作为薄层的样品，可以获得最佳的空间分辨率。这种制备可以使用多种不同的样品制备技术来完成，例如滴注、旋涂、切片等。

8、然而，某些类型的样品不允许使用这些制备技术，如较厚的有机基底上的薄有机涂层或层。在这种类型的样品中，ir光可以穿透薄顶层进入下面的基底。然后，ir光将在基底中被吸收，这可能会产生进一步的膨胀，其总和是在ir照明的整个穿透深度上的膨胀的卷积。这会屏蔽顶层的信号，使测量可能无用。

9、此外，如果顶层非常薄(小于几百纳米)和/或具有与基底相似的化学特性，则该样品测量可能特别具有挑战性。在这种情况下，所得信号可由较厚的基底层的贡献支配，而较薄顶层仅贡献了较小的调制。因此，需要一种afm-ir解决方案，以适应不同厚度的层(例如，有机薄层和较厚的基底，如厚聚合物层)之间的不同组成。

10、在美国专利申请us20190011358a1中已经开发了替代的表面敏感模式。虽然该技术可以通过跟踪表面弹性实现高表面灵敏度，但顶表面层的探测深度不受控制且无法量化。通过测量由于样品表面弹性变化引起的探针共振的位移来实现表面灵敏度。

11、afm悬臂探针共振频率的变化仅由样品材料在距afm探针顶点几纳米或几十纳米范围内的短距离内的相互作用引起，从而使该技术表面敏感。

12、为了获取表面下的信息，开发了超声波力显微镜，以使用afm探测表面下的热特性[tomoda 2003–应用物理快报82，622(2003)]。然而，将该技术从测量热特性扩展到测量光谱信息是一个挑战。

13、在tomoda中，研究人员使用了波长为850nm的激光，该波长不在样品的分子振动范围内。激光仅作为热源对样品进行加热，而不获得任何光学光谱信息。此外，由于通过悬臂的直接顶部照明(例如，样品上方)，该方法需要透明的悬臂，这仅适用于近红外区域，但不适用于中红外区域。

14、基于afm的红外纳米光谱技术(包括afm-ir、ptir、pifm、ssnom、nsom)是可用的，但由于强烈的光散射/吸收和探针的强机械阻尼，它们通常难以在液体中操作。[光：科学与应用(2017)6，e17096][纳米快报2020，20，6，4497–4504]

15、这些挑战使得afm-ir难以在其天然水环境中而不是在空气或其他气体中研究生物和化学样品。

16、水中强烈的光散射和吸收，特别是在中红外区域，会淹没样品的信号。

17、afm响应随着悬臂振动的强机械阻尼而变弱。例如，基本悬臂机械共振的q因子可以从空气中的约100降低到水中的约1。

18、虽然底部照明配置解决了其中一些技术难题，但底部照明所需的特殊样品制备和转移机制仍然是一个限制。

技术实现思路

1、为了解决上述缺陷，在优选实施例中开发了一种新的仪器和相应的方法。本文所述的系统和方法可被提供用于对具有纳米尺度厚度的样品进行化学光谱分析，具有受控的探测深度和体积。这些方法可用于将表面层数据与表面下的特性数据分离，即使在非常厚的样品上也具有表面敏感性。这些方法也可用于获得表面下的埋藏特征的光学和化学信息。

2、可能受益于优选实施例的应用包括薄表面涂层或薄膜、表面污染或复合材料的测量，这些材料相对于表面的深度分布不均匀。

3、即使在顶部或上方照明模式下，当应用于液体环境时，新方法也能显著减少液体的信号贡献，使其适用于天然水环境中的生物样品研究。当在具有样品调制的接触模式下操作时，新方法显著降低了探针的阻尼效应。此外，由于来自液体的贡献产生的信号频率与来自样品的贡献不同，因此可以减去由于液体ir吸收而产生的背景。

4、在优选实施例的一个方面，使用扫描探针显微镜获得关于具有定量控制探测深度和体积的样品亚微米区域的光谱信息的方法包括使扫描探针显微镜的探针与样品区域相互作用的步骤。用辐射束照射样品，并以频率fm调制探针或样品。所述方法包括以频率fl调制辐射束，使得边带频率fd＝|fl–fm|实质上等于探针的共振频率，包括谐波，然后测量由于入射辐射的吸收而在边带频率fd处的探针响应的步骤。分析探针的响应以构建指示样品区域的吸收光谱的信号。优选地，通过调节fl和fm中的至少一个来控制信号的探测深度和探测体积中的至少一个。

5、定义

6、“光学特性”是指样品的光学特性，包括但不限于折射率、吸收系数、反射率、透射率、透明度、吸光度、吸收率、折射率的实成分和/或虚成分，样品介电函数的实部和/或虚部分量和/或从这些光学特性中的一个或多个数学推导出的任何特性。

7、“扫描探针显微镜(spm)”是指一种显微镜，在该显微镜中，尖锐的探针与样品表面相互作用，然后扫描表面，同时测量样品表面的一个或多个特性。扫描探针显微镜可以是原子力显微镜(afm)，其可以包括具有尖锐尖端的悬臂探针。spm通常包括测量探针尖端和/或探针尖端所附接的物体(例如悬臂或音叉或mems装置)的运动、位置和/或其他响应的能力。最常见的方法包括使用光学杠杆系统，其中激光束从悬臂探针反弹，以测量悬臂的偏转。替代方案包括自传感技术，如压阻悬臂、音叉、电容传感和其他技术。其他检测系统可测量其他特性，例如力、力梯度、共振频率、温度和/或与表面的其他相互作用或对表面相互作用的响应。

8、“探测深度和体积”是指对最终测量信号有贡献的测量区域，在垂直方向上，从顶部样品表面开始探测深度，以及封闭在尖端下方的三维体积，用于探测体积。

9、“使探针与样品相互作用”是指使探针尖端足够靠近样品表面，从而发生一个或多个近场相互作用，例如，吸引和/或排斥尖端-样品力，和/或产生和/或放大从探针尖端附近样品区域散射的辐射。交互可以是接触模式、间歇接触/轻敲模式、非接触模式、脉冲力模式、peakforce(pft)模式和/或任何横向调制模式。交互作用可以是恒定的，或者如在一些实施例中那样是周期性的。周期性相互作用可以是正弦的或任何任意的周期性波形。脉冲力模式和/或快速力曲线技术也可用于周期性地使探针与样品达到期望的相互作用水平，随后是保持期，然后是随后的探针缩回。

10、“照明”是指将辐射指向物体，例如样品表面、探针尖端和/或探针-样品相互作用区域。照明可以包括红外波长范围、可见光和从紫外到太赫兹的其他波长的辐射。照明可以包括辐射源、反射元件、波导元件(例如光纤)、聚焦元件和任何其他光束控制或调节元件的任意配置。

11、本说明书中的“红外光源”是指产生或发射红外波长范围内辐射的一个或多个光源。例如，其可以包括中红外(2-25微米)范围内的波长。红外光源可以在这些波长子区域的大部分上产生辐射，或者具有作为波长范围之一的子集的调谐范围，或者可以在多个离散波长范围(例如2.5-4微米或5-13微米)上提供发射。辐射源可以是大量源中的一种，包括热源或球源、激光驱动等离子体源、超连续谱激光源、频率梳、差频发生器、和频发生器、谐波发生器、光学参量振荡器(opo)、光学参量发生器(opg)、量子级联激光器(qcl)、纳秒、皮秒、飞秒及阿秒激光系统、co2激光器、加热悬臂探针或其他显微加热器，和/或产生脉冲或连续波辐射束的任何其他源。该源可以是窄带的，例如具有＜10cm-1或＜1cm-1或更小的光谱宽度，或者可以是宽带的，例如，具有＞10cm-1、＞100cm-1或大于500cm-1的光谱宽度。

12、“覆盖紫外-可见-红外-太赫兹范围的200nm至300um波长范围内的电磁波”是指波长范围为200nm–300um的电磁波。紫外或紫外：200-380nm；可见光或可见光波长：380nm-700nm；红外包括近红外和中红外，近红外：700nm-2μm，中红外：2-25μm；太赫兹：25μm–300μm。

13、“信号指示”是指在数学上与感兴趣的属性相关的信号。该信号可以是模拟信号、数字信号和/或存储在计算机或其他数字电子设备中的一个或多个数字。该信号可以是电压、电流或任何其他易于转换和记录的信号例如明确地测量绝对相位信号或吸收系数。其也可以是与一个或多个感兴趣的属性在数学上相关的信号，例如，包括线性或其他缩放、偏移、反演，甚至复杂的数学操作。

14、“光谱”是指测量样品的一个或多个特性，作为波长的函数或等效地(更常见地)作为波数的函数。

15、“红外吸收光谱”是指与样品的红外吸收系数、吸光度或类似红外吸收特性指示的波长依赖性成比例的光谱。红外吸收光谱的一个例子是由傅里叶变换红外光谱仪(ftir)产生的吸收测量，即ftir吸收光谱。(应注意，红外吸收光谱也可以很容易地从透射光谱中导出。)

16、当提及入射到样品上的辐射时，“调制”或“调制”指的是周期性地改变某个位置的红外激光强度。调制光束强度可以通过光束的机械斩波、受控激光脉冲和/或偏转激光束来实现，例如，通过静电、电磁驱动的倾斜镜，利用压电致动器或其他装置来倾斜或变形镜，或高速旋转镜装置。调制也可以用提供时变传输的设备来实现，如声光调制器、电光调制器、光弹性调制器、波克尔电池等。调制也可以利用衍射效应来实现，例如通过基于mems的衍射调制器，或者通过高速快门、衰减器或改变入射到样品上的激光强度的强度、角度和/或相位的其他机制。

17、“解调(demodulate)”或“解调(demodulation)”是指从总体信号中提取信息承载信号，通常，但不一定在特定频率。例如，在该应用中，在光电检测器处收集的探测光代表总体信号。解调过程挑选出被样品吸收的红外光干扰的部分。解调可以通过锁定放大器、快速傅里叶变换(fft)、在期望频率下的离散傅里叶分量的计算、谐振放大器、窄带带通滤波器或在很大程度上增强感兴趣信号同时抑制与调制不同步的背景和噪声信号的任何其他技术来完成。

18、“解调器”是指执行解调的设备或系统。

19、“分析器/控制器”是指有助于系统数据采集和控制的系统。控制器可以是单个集成电子外壳，或者可以包括多个分布式元件。控制元件可以提供对探针尖端和/或样品的定位和/或扫描的控制。其还可以收集关于探针偏转、运动或其他响应的数据，提供对辐射源功率、偏振、转向、聚焦和/或其他功能的控制。控制元件等可以包括计算机程序方法或数字逻辑方法，并且可以使用各种计算设备(计算机、个人电子设备)、模拟和/或数字分立电路元件(晶体管、电阻器、电容器、电感器、二极管等)、可编程逻辑、微处理器、微控制器、专用集成电路或其他电路元件。被配置为存储可以从存储器执行的计算机程序的存储器元件可以与分立电路组件一起实现，以执行本文描述的一个或多个过程。

20、“锁定放大器”是“解调器”(如上定义)的一个示例，是一种设备、系统和/或算法，用于在一个或多个参考频率下解调系统的响应。锁定放大器可以是包括模拟电子设备、数字电子设备以及两者的组合的电子组件。其也可以是在微处理器、现场可编程门阵列(fpga)、数字信号处理器和个人计算机等数字电子设备上实现的计算算法。锁定放大器可以产生指示振荡系统的各种度量的信号，包括振幅、相位、同相(x)和正交(y)分量或以上的任何组合。在此情况下，锁定放大器还可以在参考频率、参考频率的高次谐波和/或参考频率的边带频率两者处产生这样的测量。

21、“光学响应”是指辐射与样品相互作用的结果。光学响应与上述一个或多个光学特性有关。光学响应可以是辐射的吸收、温度升高、热膨胀、光致力、光的反射和/或散射、相变或由于与辐射的相互作用而引起的材料的其他响应。

22、“边带频率”是指两个激发频率的线性和或差的频率。例如，如果系统在频率fl和fm处被激发，则边带频率可以是任何频率fd，使得fd满足关系式fd＝|m×fl+n×fm|，其中m和n是正整数或负整数。