本發明涉及微納米區域物性測量及操控技術領域，尤其涉及一種基于激光檢測式的雙探針原子力顯微鏡快速逼近裝置及方法。

背景技術：

微納米技術尺度范圍為1nm-100nm，在該尺度范圍進行物性測量及操控需要特定的觀測及操控手段才能進行，原子力顯微鏡(AFM)由于其高分辨率、制樣簡單、適用于不同環境等優點，應用最為廣泛。

但是，傳統的原子力顯微鏡僅僅具有一個探針，功能十分受限，因此，為了擴大其應用可能性，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，實現傳統單探針很難做到的三維空間內操控納米物體；雙探針還可充當兩電極，對任意基底表面的樣品實現微納尺度的電學性質表征，也可某一探針實現電學偏壓刺激，而另一探針檢測該刺激下引起的形貌、電位等響應變化，建立樣品的激勵-響應關系；另外在生物領域，可使用生化抗體表征后的功能化探針作為激勵，另一探針研究細胞的抗體應答反應導致的形貌、表面硬度等變化。目前，實現雙探針原子力顯微鏡采用的位移檢測技術有多種，其中激光檢測方法由于其較高的檢測靈敏度，且能兼容市面上商業化的普通硅制探針，選擇性最廣的優點，包括可集成新型的功能化探針比如熱電偶、磁學探針，因而基于激光檢測方法的雙探針原子力顯微鏡功能將最為強大，可拓展性最強。

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，目前激光檢測式雙探針原子力顯微鏡在探針逼近過程中，激光光斑位置會逐漸偏移出探針懸臂梁，因此需要多次調整激光器位置，所以導致整個逼近過程激光調整非常繁瑣、費事。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入射光路配置。如圖1所示，當激光斜入射光路配置時，探針Z軸往下運動時(ΔZ)，激光光斑會沿著探針長軸方向漸漸往外偏移(ΔL)，其往外速度接近于Z軸運動速度。如圖2所示，激光側入射光路配置時，探針Z軸往下運動時(ΔZ)，激光光斑會沿著探針短軸方向漸漸往外(ΔW)，其速度雖然小于Z軸運動速度，但探針懸臂梁寬度較小，容許光斑沿短軸方向運動行程很小。因而，目前常用的上述兩種光路配置，激光調整好后，探針Z軸即使移動較小的范圍(數微米)，激光便會偏移出懸臂梁光斑敏感區域，導致激光器位置需要重新調整，整個逼近過程需多次調整激光，且激光器位置需人工調整，費時費勁。

技術實現要素：

本發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，以解決現有技術中存在的逼近過程中需要多次調整激光、費時費力的技術問題。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：

本發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有檢測頭基座，所述檢測頭基座通過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頭基座之間設有樣品掃描平臺，所述樣品掃描平臺上設有用于放置樣品的樣品臺，所述檢測頭基座上設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；

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；

還包括控制器，所述控制器連接有上位機，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，所述上位機與所述升降組件、所述樣品掃描平臺、所述XY軸微米定位臺及所述Z軸微米定位臺連接。

進一步的，所述檢測頭基座上方設有主光學顯示鏡，所述檢測頭基座的一側設有輔助光學顯示鏡；

所述主光學顯示鏡垂直設置，所述輔助光學顯示鏡水平設置，所述主光學顯示鏡和所述輔助光學顯示鏡均與所述主探針組件和所述從探針組件相對設置。

進一步的，所述主探針組件和所述從探針組件位于所述檢測頭基座上對稱設置，所述主探針和所述從探針分別通過探針架與所述檢測頭基座連接；

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XY軸調節架，所述反光鏡與所述檢測頭基座連接。

進一步的，所述升降組件包括電動螺桿，所述電動螺桿與所述上位機連接，所述檢測頭基座上設有槽孔，所述電動螺桿的一端設于所述槽孔內，另一端設于所述顯微鏡底座內。

進一步的，所述升降組件包括三根所述電動螺桿，三根所述電動螺桿位于所述檢測頭基座上呈等腰三角形分布。

本發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軸方向調節，使主探針靠近從探針，從探針沿垂直的Z軸方向調節，使從探針高度低于主探針；

b、分別調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位置，反射光斑位于光電接收器的十字交叉點，其中，從探針的激光器發射的光線經過反光鏡反射，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，即Z軸方向移動，根據光電接收器信號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，則執行步驟e，若否，則執行步驟f；

e、將從探針垂直抬高行程M，跳至執行步驟c；

f、判斷主探針是否接觸樣品，如否，則跳至執行步驟c，若是，則執行步驟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，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。

進一步的，所述步驟a中，調節主探針和從探針時分別通過垂直設置和水平設置的光學顯微鏡進行位置確定。

本發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位置分別通過XY軸微米定位臺和Z軸微米定位臺進行調整，可調整至微米量級距離。從探針通過Z軸微米定位臺用于調整主探針和從探針的Z軸相對位置，其中，通過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軸向調節時不會出現光斑偏離第二懸臂懸臂梁的狀況。因此，在逼近樣品過程中，相應的第一激光器和第二激光器均只需要一次調整，之后，無需再進行調整，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，該裝置簡化了逼近的步驟，加快了逼近調整過程，操作時省時省力。

本發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軸向調節的從探針的入射光通過反光鏡調整為垂直方向射入，因此，在調節時不會出現偏離懸臂梁的現象，進而對于激光器僅需一次調節即可，逼近方法得到極大的簡化，之后，再通過對主探針和從探針進行微調，直至兩者均與樣品接觸，即完成逼近操作。

附圖說明

圖1是現有技術中激光斜入射光路的示意圖；

圖2是現有技術中激光側入射光路的示意圖；

圖3是本發明實施例1提供的雙探針原子力顯微鏡快速逼近裝置的結構示意圖；

圖4是本發明實施例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構框圖；

圖5是本發明實施例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是本發明實施例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、檢測頭基座；3、樣品掃描平臺；4、樣品臺；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；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；16、控制器；17、上位機；18、主光學顯示鏡；19、輔助光學顯示鏡；20、探針架；21、手動XY軸調節架；22、電動螺桿。

具體實施方式

下面結合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本發明的技術方案。

實施例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上設有檢測頭基座2，檢測頭基座2通過升降組件與顯微鏡底座1連接，顯微鏡底座1與檢測頭基座2之間設有樣品掃描平臺3，樣品掃描平臺3上設有用于放置樣品的樣品臺4，檢測頭基座2上設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15；

還包括控制器16，控制器16連接有上位機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17與升降組件、樣品掃描平臺3、XY軸微米定位臺9及Z軸微米定位臺15連接。

現有的雙探針原子力顯微鏡，在雙探針逼近樣品調節時，兩個探針均需要實現Z軸向(垂直方向)的調節，因此，采用激光器的光線采用斜入射或側入射的方式均可能造成光斑脫離懸臂梁的現象，因此，需要反復的多次調整兩個激光器。

而本發明提供的雙探針原子力顯微鏡快速逼近裝置，主探針5無需在Z軸向移動調整，進而不會出現光斑脫離的現象，僅從探針10進行Z軸向調節，進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反光鏡13反射，入射線垂直射入到第二懸梁臂，進而在Z軸向調節從探針10的位置時，垂直入射的光斑位置不變，進而也不會出現脫離的現象，調節過程中，第一激光器7和第二激光器12均只需要一次調節即可。

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

檢測頭基座2上方設有主光學顯示鏡18，檢測頭基座2的一側設有輔助光學顯示鏡19；

主光學顯示鏡18垂直設置，輔助光學顯示鏡19水平設置，主光學顯示鏡18和輔助光學顯示鏡19均與主探針組件和從探針組件相對設置。

在逼近操作之前，首先安裝主探針組件和從探針組件，之后，對主探針5和從探針10的位置進行“粗調”，即通過XY軸微米定位臺9將主探針5向從探針10方向靠近，之后，在通過Z軸微米定位臺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)，從探針10略低于主探針5。

此步驟中，為了更好的實現調節的觀察，設置相應的主光學顯示鏡18和輔助光學顯示鏡19，兩者分別在垂直方向和水平方向進行觀察，在視野范圍內進行相應地動作調節。

主探針組件和從探針組件位于檢測頭基座2上對稱設置，主探針5和從探針10分別通過探針架20與檢測頭基座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XY軸調節架21，反光鏡13與檢測頭基座2連接。

主探針組件和從探針組件安裝完成后，通過XY軸微米定位臺9和Z軸微米定位臺15對主探針5和從探針10進行調節，之后，需要調節第一激光器7和第二激光器12(僅一次調節)，調節完成后，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的十字交叉點上。因此，相應的設置手動XY軸調節架21，可實現第一激光器7、第一光電接收器8、第二激光器12和第二光電接收器14水平方向的調節，方便入射光線和反射光線的調節，反光鏡13設置在檢測頭基座2上，位置固定無需進行調節。

升降組件包括電動螺桿22，電動螺桿22與上位機17連接，檢測頭基座2上設有槽孔，電動螺桿22的一端設于槽孔內，另一端設于顯微鏡底座1內。優選的，升降組件包括三根電動螺桿22，三根電動螺桿22位于檢測頭基座2上呈等腰三角形分布。

通過電動螺桿22完成對檢測頭基座2的升降操作，其中，操作過程中，檢測頭基座2在升降到最頂端時，其可與檢測頭基座2之間實現分離，方便對樣品的安裝調整，采用電動螺桿22調節其行程控制精確，控制簡單快捷。

實施例2

第一懸臂梁6上的入射光線與反射光線構成平面P1，第二懸臂梁11上的入射光線和反射光線構成平面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，如兩面相互垂直，此種狀態下，相應的激光器和光電接收器等部件分散設置占用的空間較大，進而造成設備整體占用的空間較大。因此，為了最大限度的節省空間，平面P1和平面P2采用相互重合的設置方式，即兩面相互平行且疊加，達到重合狀態，進而激光器和光電接收器等部件不再分散設置，位置更加緊湊，使其占用的空間更小。

實施例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軸方向調節，使主探針5靠近從探針10，從探針10沿垂直的Z軸方向調節，使從探針10低于主探針5；

b、分別調整主探針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懸臂梁的前端中點位置，反射光斑位于光電接收器的十字交叉點，其中，從探針10的激光器發射的光線經過反光鏡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，即Z軸方向移動，根據光電接收器信號判斷主探針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，則執行步驟e，若否，則執行步驟f；

e、將從探針10垂直抬高行程M，跳至執行步驟c；

f、判斷主探針5是否接觸樣品，如否，則跳至執行步驟c，若是，則執行步驟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，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，調節主探針5和從探針10時分別通過垂直設置和水平設置的光學顯微鏡進行位置確定。借助光學顯微鏡對主探針5和從探針10進行調節，可提供高分辨率的光學圖像，使兩者分別在XY軸方向及Z軸方向相互靠近，可調節至數微米范圍內。

以上結合具體實施例描述了本發明的技術原理。這些描述只是為了解釋本發明的原理，而不能以任何方式解釋為對本發明保護范圍的限制。基于此處的解釋，本領域的技術人員不需要付出創造性的勞動即可聯想到本發明的其它具體實施方式，這些方式都將落入本發明的保護范圍之內。