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原文传递使用振荡模式的样本的红外光表征

专利名称：	使用振荡模式的样本的红外光表征
摘要：	一种使用原子力显微镜(AFM)以及引导至AFM的探针针尖的脉冲红外激光进行样本表征的装置和方法。所述激光脉冲与AFM的振荡驱动同步，使得脉冲与针尖/样本仅在选定的振荡循环相互作用。AFM操作优选峰值力轻敲模式。并且，能够在低于50nm，甚至低于20nm的分辨率下进行纳米机械和纳米光谱测量。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	美国;US
申请人：	布鲁克纳米公司
发明人：	苏禅敏;马丁·瓦格纳;许晓汲
专利状态：	有效
申请日期：	2017-08-22T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-13T00:00:00+0800
申请号：	CN201780065311.8
公开号：	CN110121644A
代理机构：	北京英赛嘉华知识产权代理有限责任公司
代理人：	王达佐;王艳春
分类号：	G01N21/35(2014.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	美国加利福尼亚州
主权项：	1.一种使用原子力显微镜(AFM)进行光谱测量的方法，所述方法包括以下步骤：通过频率低于f0的振荡驱动信号来引发所述原子力显微镜的探针与样本相互作用达多个循环，以产生瞬态探针-样本相互作用力，其中，f0是所述探针的谐振频率；控制所述瞬态探针-样本相互作用力；提供脉冲光源以产生具有脉冲宽度的脉冲；将所述脉冲引导至定位有所述探针的所述样本，引起诱导的样本改性，其中，所述脉冲与探针-样本接触时间实质上一致；测量至少部分地归因于所述诱导的样本改性的探针偏转，并且使用所测量的探针偏转确定归因于所述诱导的样本改性的探针响应；以及导出所述探针响应的至少一个瞬态特性。 2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光源的波长具有从紫外光到远红外光的范围。 3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述波长是中红外光波长。 4.根据权利要求1所述的方法，其中，瞬态探针-样本相互作用时间比所述脉冲宽度长至少10倍。 5.根据权利要求4所述的方法，还包括：使所述脉冲与所述振荡驱动信号的振荡循环中的瞬态探针-样本相互作用部分同步的步骤。 6.根据权利要求5所述的方法，还包括：对所述探针响应执行同步平均的步骤。 7.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：对引导至所述探针的不同波数的光脉冲，收集所述至少一个瞬态特性；以及相对于所述样本平移所述探针，并且在每个扫描位置执行所述方法的上述步骤中的全部。 8.根据权利要求1所述的方法，还包括：提供脉冲选择器的步骤，所述脉冲选择器提供用于与所述驱动信号的循环进行背景减法的非脉冲相互作用循环，使得每隔一个探针-样本相互作用循环，所述脉冲与探针针尖及样本相互作用。 9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述原子力显微镜操作的振荡模式是原子力显微镜操作的挠曲模式，在所述挠曲模式中，所述驱动信号的频率为f挠曲，并且其中，所述引导步骤包括：使用f脉冲频率将所述脉冲引导至探针针尖，并且还包括以下步骤：同步所述脉冲与所述驱动信号的循环，使得在探针-样本相互作用期间所述脉冲被引导至所述探针针尖和样本；以及其中，所述确定步骤包括：识别由于原子力显微镜控制引起的所述探针的挠曲响应和由于红外诱导的样本改性引起的所述探针的挠曲响应。 10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述识别步骤包括以下步骤：将所述驱动信号的频率f挠曲设定为所述引导步骤中的频率f脉冲的整数倍，以及监测所述挠曲响应的振幅。 11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述识别步骤包括：确定具有所述诱导的样本改性时的挠曲振荡的基线与不具有所述诱导的样本改性时的挠曲振荡的基线之间的偏移的步骤。 12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述偏移用于指示在将所述脉冲引导至所述样本的步骤之后，由于表面的膨胀或收缩而发生的诱导的样本改性。 13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光谱测量的空间分辨率低于20nm。 14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制步骤包括以峰值力轻敲模式(PFT)操作所述原子力显微镜。 15.根据权利要求1所述的方法，还包括：将在所述引发步骤的每个循环中执行所述引导步骤的时间，用作同步平均探针偏转的多个循环的参考。 16.一种使用原子力显微镜进行光谱测量的方法，所述方法包括以下步骤：通过频率低于f0的振荡驱动信号来引发所述原子力显微镜的探针与样本相互作用达多个循环，以产生瞬态探针-样本相互作用力，其中，f0是所述探针的谐振频率；控制所述瞬态探针-样本相互作用力；提供脉冲激光以产生具有脉冲宽度的红外脉冲；将所述红外脉冲引导至定位有所述探针的所述样本，引起红外诱导的样本改性，其中，瞬态探针-样本相互作用时间比所述脉冲宽度长至少10倍；使所述红外脉冲与所述振荡驱动信号的振荡循环中的瞬态探针-样本相互作用部分同步；测量探针偏转；导出经同步平均的悬臂式响应的至少一个瞬态特性；对引导至所述探针的不同波数的中红外脉冲，收集至少一个瞬态特性；以及相对于所述样本平移所述探针，并且执行所述方法的上述步骤中的全部。 17.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：提供脉冲选择器，所述脉冲选择器提供用于与所述驱动信号的循环进行背景减法的非脉冲相互作用循环，使得每隔一个探针-样本相互作用循环，所述红外脉冲与探针针尖及样本相互作用；使用检测器检测所述探针的偏转；以及根据检测到的偏转确定由于红外诱导的样本改性引起的所述探针的挠曲响应。 18.根据权利要求16所述的方法，其中，原子力显微镜操作的振荡模式是原子力显微镜操作的挠曲模式，在所述挠曲模式中，所述驱动信号的频率为f挠曲，并且其中，所述引导步骤包括：使用f脉冲频率将所述红外脉冲引导至探针针尖，并且还包括以下步骤：同步所述红外脉冲与所述驱动信号的循环，使得在探针-样本相互作用期间所述红外脉冲被引导至所述探针针尖和样本；以及其中，所述确定步骤包括：识别由于原子力显微镜控制引起的所述探针的挠曲响应和由于红外诱导的样本改性引起的所述探针的挠曲响应。 19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述识别步骤包括以下步骤：将所述驱动信号的频率f挠曲设定为所述引导步骤中的频率f脉冲的整数倍，以及监测所述挠曲响应的振幅。 20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述识别步骤包括：确定具有所述红外诱导的样本改性的挠曲振荡的基线与不具有所述红外诱导的样本改性的挠曲振荡的基线之间的偏移的步骤。 21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述偏移用于指示在将所述红外脉冲引导至所述样本的步骤之后，由于表面的膨胀或收缩而发生的红外诱导的样本改性。 22.根据权利要求16所述的方法，其中，所述光谱测量的空间分辨率小于20nm。 23.根据权利要求16所述的方法，其中，所述控制步骤包括以峰值力轻敲模式操作所述原子力显微镜。 24.根据权利要求16所述的方法，还包括：将在所述引发步骤的每个循环中执行所述引导步骤的时间，用作同步平均探针偏转的多个循环的参考的步骤。 25.一种用于执行光谱测量的原子力显微镜(AFM)，所述原子力显微镜包括：所述原子力显微镜的探针，在原子力显微镜操作的峰值力轻敲模式下与样本相互作用；脉冲激光，其产生红外脉冲，并且，将所述红外脉冲引导至定位有所述探针的所述样本；检测器，检测所述探针的偏转；以及其中，所述红外脉冲与驱动信号的循环同步，使得每隔一个探针-样本相互作用循环，所述红外脉冲与探针针尖及样本相互作用。 26.根据权利要求25所述的原子力显微镜，其中，振荡模式是峰值力轻敲模式(PFT)。 27.根据权利要求25所述的原子力显微镜，其中，从峰值力轻敲模式操作的第一循环期间的所述探针的偏转中减去第二循环期间的所述探针的偏转，其中，在所述第一循环期间，所述红外脉冲与所述针尖相互作用，在所述第二循环期间，所述探针不与所述针尖相互作用。 28.根据权利要求26所述的原子力显微镜，其中，所述第一循环和第二循环是连续的。 29.根据权利要求26所述的原子力显微镜，其中，通过在红外范围内扫描所述脉冲激光的频率来产生局部光谱。 30.根据权利要求25所述的原子力显微镜，其中，所述光谱测量的空间分辨率小于50nm。
所属类别：	发明专利