CN110095637A - 原子力显微镜及样品表面性质的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原子力显微镜及样品表面性质的测试方法。所述原子力显微镜包括：信号发生器、探针组件、Z向压电陶瓷、激光发生器、光电探测器、位移粗调单元、控制器以及样品台，其中，探针组件包括探针以及激励模块，探针包括悬臂梁以及位于悬臂梁第一端的针尖，激励模块与信号发生器连接，用于接收激励信号，并在激励信号的作用下驱动探针在第一方向上偏转，激励模块为非激光光热激励模块。本发明实施例提供的技术方案，使得探针的振动频率大幅提高，从而有效加快了采用非共振轻敲模式测试待测表面性质时的速度，缩短了同一待测表面的测试时间。

Description

原子力显微镜及样品表面性质的测试方法

技术领域

本发明实施例涉及表面性质测试技术，尤其涉及一种原子力显微镜及样品表面性质的测试方法。

背景技术

原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)具有分辨率高以及适用范围广等优势，被广泛应用于微纳尺寸形貌表征、物性测量及微纳操作的重要工具。

目前AFM中常用的成像模式主要包括：接触模式，轻敲模式及非共振轻敲模式。其中接触模式在成像过程中探针持续与样品接触，较大的侧向力易对探针和样品造成损坏；轻敲模式在成像过程中探针悬臂梁在其共振频率处振动，探针与样品间歇接触，侧向力虽然减小了，但却并没有直接对力进行控制，使得在对柔软样品成像时，由于无法精准的进行力的控制而可能损坏样品；非共振轻敲模式在成像过程中探针悬臂梁在低于其共振频率处振动，每个周期中探针和样品间的作用力能被测得，进而可对该作用力进行精确控制，且非共振轻敲模式下可获得作用力和距离的关系曲线，从中分析出样品的粘附力、形变及杨氏模量等力学性质信息。

图1是现有技术中非共振轻敲模式下探针运动示意图。如图1所示，探针101通过探针夹103连接于Z向压电陶瓷102上，测试过程中，Z向压电陶瓷102在垂直于样品表面的方向Z上往返运动，带动探针夹103及探针101在该方向上往返运动，图1以虚线方式示意出上述往返运动过程中探针101以及Z向压电陶瓷102的位置，并以实线方式示意出探针101以及Z向压电陶瓷102的当前位置。由于探针夹103及探针101的重量较大，使得驱动这个整体上下振动较为困难，进而导致其测试时它的振动频率较低，无法实现高速测试。

发明内容

本发明提供一种原子力显微镜及样品表面性质的测试方法，以有效提高采用非共振轻敲模式测试待测表面形貌时的速度。

第一方面，本发明实施例提供了一种原子力显微镜，该原子力显微镜包括：

信号发生器，用于产生并输出激励信号和同步信号；

探针组件，所述探针组件包括探针以及激励模块，所述探针包括悬臂梁以及位于所述悬臂梁第一端的针尖，所述激励模块与所述信号发生器连接，用于接收所述激励信号，并在所述激励信号的作用下驱动所述探针在第一方向上偏转，所述第一方向垂直于待测表面；

Z向压电陶瓷，所述悬臂梁的第二端通过探针夹与所述Z向压电陶瓷连接，所述Z向压电陶瓷用于在纳米尺度下在所述第一方向上移动所述探针；

激光发生器，用于向所述悬臂梁发射激光；

光电探测器，用于接收从所述悬臂梁反射的激光，并将接收的光信号转换为电信号；

位移粗调单元，所述位移粗调单元与所述Z向压电陶瓷连接，用于粗调所述Z向压电陶瓷的位置，以粗调探针夹及探针的位置；

控制器，所述控制器与所述信号发生器、所述光电探测器、所述位置粗调单元以及所述Z向压电陶瓷连接，用于根据所述电信号获取背景信号和实时信号，将所述实时信号与所述背景信号的差信号作为检测信号，根据所述同步信号和所述检测信号，获取所述针尖和所述待测表面的最大相互作用力作为峰值力，将所述峰值力作为反馈输入，并在判断所述反馈输入和预设值有差别时，控制所述Z向压电陶瓷调节所述探针的位置；

样品台，用于承载待测样品，所述待测样品的所述待测表面朝向所述探针；

其中，所述激励模块为非激光光热激励模块。

第二方面，本发明实施例还提供了一种样品表面性质的测试方法，应用上述第一方面所述的原子力显微镜，该测试方法包括：

步骤1、所述控制器通过所述位移粗调单元调节所述Z向压电陶瓷的位置，以使所述探针位于所述待测表面上方；

步骤2、所述信号发生器产生所述激励信号和所述同步信号，并将所述激励信号和所述同步信号分别传输至所述激励模块和所述控制器；

步骤3、所述激励模块在所述激励信号的作用下，激励所述悬臂梁在所述第一方向上往返偏转；

步骤4、所述激光探测器实时接收从所述悬臂梁反射的激光，并将多个周期信号求和取平均后作为背景信号存储至所述控制器中，其中，所述周期信号为一个同步信号周期内的悬臂偏转信号，所述悬臂偏转信号为所述激光探测器将接收到的光信号进行转换获得的电信号；

步骤5、根据所述悬臂偏转信号和所述激励信号获得激励信号延迟，采用所述激励信号延迟校准所述同步信号；

步骤6、所述控制器控制所述位移粗调单元及所述Z向压电陶瓷的位置来调节探针的位置，以使所述针尖逼近所述待测表面；

步骤7、所述激光探测器实时接收从所述悬臂梁反射的激光，并将光信号转换获得的电信号作为悬臂梁的实际偏转信号传输给所述控制器；

步骤8、所述控制器将所述实际偏转信号与所述背景信号的差信号作为检测信号，并根据所述检测信号与所述同步信号，得到针尖与待测样品表面的最大相互作用作为峰值力，并将所述峰值力作为反馈输入，判断所述反馈输入与预设值的大小关系，若所述反馈输入大于或等于预设值，则跳至步骤9，否则返回至上述步骤6；

步骤9、所述待测样品表面水平栅格状遍历扫描，所述控制器以所述峰值力作为反馈输入控制所述Z向压电陶瓷的位置，以获得样品的三维形貌和力与距离的关系曲线。

本发明实施例提供的原子力显微镜的探针组件包括探针以及激励模块，探针包括悬臂梁以及位于悬臂梁第一端的针尖，激励模块与信号发生器连接，用于接收激励信号，并在激励信号的作用下驱动探针在第一方向上偏转。上述原子力显微镜能够直接激励质量较轻的悬臂梁，使得探针的振动频率大幅提高，从而有效加快了采用非共振轻敲模式测试待测表面性质时的速度，缩短了同一待测表面的测试时间。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

图1是现有技术中非共振轻敲模式下探针运动示意图；

图2是本发明实施例提供的一种原子力显微镜的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种非共振轻敲模式下探针运动示意图；

图4是本发明实施例提供的一种原子力显微镜的局部结构示意图；

图5是本发明实施例提供的又一种原子力显微镜的局部结构示意图；

图6是本发明实施例提供的又一种原子力显微镜的局部结构示意图；

图7是本发明实施例提供的又一种原子力显微镜的局部结构示意图；

图8是本发明实施例提供的又一种原子力显微镜的局部结构示意图；

图9是本发明实施例提供的一种样品表面性质的测试方法的流程示意图；

图10是本发明实施例提供的一组背景信号、实际信号以及检测信号的实测图；

图11是本发明实施例提供的一种探针受力随探针运动的距离变化示意图；

图12是本发明实施例提供的不同材质的待测表面对应的检测信号示意图；

图13是本发明实施例提供的一种由PS及LDPE材质组成的样品的形貌图；

图14是与图13对应的待测表面的粘附力实测图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种原子力显微镜及样品表面性质的测试方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

本发明实施例提供了一种原子力显微镜，该原子力显微镜包括：

信号发生器，用于产生并输出激励信号和同步信号；

探针组件，所述探针组件包括探针以及激励模块，所述探针包括悬臂梁以及位于所述悬臂梁第一端的针尖，所述激励模块与所述信号发生器连接，用于接收所述激励信号，并在所述激励信号的作用下驱动所述探针在第一方向上偏转，所述第一方向垂直于待测表面；

Z向压电陶瓷，所述悬臂梁的第二端通过探针夹与所述Z向压电陶瓷连接，所述Z向压电陶瓷用于在纳米尺度下在所述第一方向上移动所述探针；

激光发生器，用于向所述悬臂梁发射激光；

光电探测器，用于接收从所述悬臂梁反射的激光，并将接收的光信号转换为电信号；

位移粗调单元，所述位移粗调单元与所述Z向压电陶瓷连接，用于粗调所述Z向压电陶瓷的位置，以粗调探针夹及探针的位置；

控制器，所述控制器与所述信号发生器、所述光电探测器、所述位置粗调单元以及所述Z向压电陶瓷连接，用于根据所述电信号获取背景信号和实时信号，将所述实时信号与所述背景信号的差信号作为检测信号，根据所述同步信号和所述检测信号，获取所述针尖和所述待测表面的最大相互作用力作为峰值力，将所述峰值力作为反馈输入，并在判断所述反馈输入和预设值有差别时，控制所述Z向压电陶瓷调节所述探针的位置；

样品台，用于承载待测样品，所述待测样品的所述待测表面朝向所述探针；

其中，所述激励部件为非激光光热激励部件。

本发明实施例提供的原子力显微镜的探针组件包括探针以及激励模块，探针包括悬臂梁以及位于悬臂梁第一端的针尖，激励模块与信号发生器连接，用于接收激励信号，并在激励信号的作用下驱动探针在第一方向上偏转。上述原子力显微镜能够直接激励质量较轻的悬臂梁，使得探针的振动频率大幅提高，从而有效加快了采用非共振轻敲模式测试待测表面性质时的速度，缩短了同一待测表面的测试时间。

以上是本申请的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他实施方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置器件结构的示意图并非按照一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度以及高度的三维空间尺寸。

图2是本发明实施例提供的一种原子力显微镜的结构示意图。该原子力显微镜适用于固体结构表面性质的测试，测试模式至少包括非共振轻敲模式，本申请主要针对上述测试模式。如图2所示，原子力显微镜包括信号发生器700、探针组件800、Z向压电陶瓷600、激光发生器300、光电探测器200、位移粗调单元500、控制器100以及样品台900。

其中，信号发生器700用于产生并输出激励信号和同步信号，探针组件800包括探针830以及激励模块810，探针830包括悬臂梁831以及位于悬臂梁831第一端的针尖832，激励模块810与信号发生器700连接，用于接收激励信号，并在激励信号的作用下驱动探针830在第一方向Z上偏转，第一方向Z垂直于待测表面，且激励模块810为非激光光热激励模块。悬臂梁831的第二端通过探针夹与Z向压电陶瓷600连接，激光发生器300用于向悬臂梁831发射激光，光电探测器200用于接收从悬臂梁831反射的激光，并将接收的光信号转换为电信号，位移粗调单元500与Z向压电陶瓷600连接，用于粗调Z向压电陶瓷600的位置。控制器100与信号发生器700、光电探测器200、位置粗调单元500以及Z向压电陶瓷600连接，用于根据电信号获取背景信号和实时信号，将实时信号与背景信号的差信号作为检测信号，根据同步信号和检测信号，获取针尖832和待测表面的最大相互作用力作为峰值力，将峰值力作为反馈输入，并在判断反馈输入和预设值有差别时，控制Z向压电陶瓷600调节探针830的位置，样品台900用于承载待测样品，待测样品的待测表面朝向探针830。

图3是本发明实施例提供的一种非共振轻敲模式下探针运动示意图。如图3所示，测试过程中，探针830在第一方向Z的往返偏转，而Z向压电陶瓷600的位置固定，探针830质量较小，相对于图1所示现有技术中的方式，图3所示方式中探针830的振动很容易达到很高的频率，进而有效提升扫描测试速度。

图4是本发明实施例提供的一种原子力显微镜的局部结构示意图。图4示意出了原子力显微镜中的光电探测器200、激光发生器300、探针830、Z向压电陶瓷600以及样品台900。如图4所示，光电探测器200和激光发生器300可以设置于探针830远离待测样品的一侧，可以理解的是，凡是满足如下要求的光电探测器200和激光发生器300的设置位置均在本实施例的保护范围内：在探针830偏转过程中，激光发生器300发出的激光均能够照射至悬臂梁831上，且从悬臂梁831反射的激光能够被光电探测器200接收。

需要说明的是，探针830偏转时，光电探测器200Y方向上的输出值发生变化，光电探测器200将光信号转换为电信号传输给控制器。值得注意的是，信号发生器产生的激励信号通常为正弦信号，进而激励部件带动探针830在第一方向Z上往返偏转，使得光电探测器200生成的电信号也是正弦信号，其周期与激励信号以及同步信号相同。

还需要说明的是，实际测试过程中，探针830在第一方向Z上往返偏转，并在朝向样品一侧偏转至最大角度附近时与待测表面接触，上述接触时，光电探测器200探测到的第一信号包括针尖832与待测表面接触力产生的第二信号以及探针830自身偏转产生的第三信号，但判断针尖832是否损害待测样品表面时用到的仅为第二信号，因此为使得判断准确，需将第一信号中的第三信号去除。探针830往返偏转而针尖832与待测表面无接触时能够获得单一的第三信号，在探针距离待测表面较远的位置处偏转多个周期再求和取平均可获得第三信号，继而在探针逼近待测表面过程中，可将光电探测器实时检测到的信号与第三信号的差信号作为检测信号，此时检测信号仅包括上述第二信号。并且光电探测器200生成的电信号与作用力成比例关系。因此能够通过第二信号的峰值位置的信号参数获得对应的峰值力，即信号在该峰值时刻针尖832与待测表面之间的作用力。值得注意的是，第二信号包括延迟等增加峰值位置判断难度的干扰因素，而第二信号的峰值与同步信号是相对应的，因此可采用同步信号准确找到第二信号中峰值的位置。

在本实施例中，位移粗调单元在毫米至微米尺度下调节Z向压电陶瓷600的位置，进而带动调节探针830的位置。在针尖832距离待测表面较远时，可采用位移粗调单元对探针830的位置进行调节，当针尖832距离待测表面较近时，为避免针尖832过大的位移导致针尖832与待测表面以较大作用力相撞，损坏探针830，需要使针尖832移动较小的位移，此时可采用Z向压电陶瓷600对探针830的位置进行调节。

本实施例中激励模块810为非激光光热激励模块，避免了较大功率的激光对样品加热而使样品损害的现象发生，从而扩大了原子力显微镜的应用范围。此外，本实施例对激励模块810的具体结构不做限定，凡是能够激励探针830在第一方向Z上往返运动的结构均在本实施例的保护范围内。

本实施例提供的原子力显微镜的探针组件800包括探针830以及激励模块810，探针包括悬臂梁831以及位于悬臂梁831第一端的针尖832，激励模块810与信号发生器700连接，用于接收激励信号，并在激励信号的作用下驱动探针830在第一方向上偏转。上述原子力显微镜能够直接激励质量较轻的悬臂梁831，使得探针830的振动频率大幅提高，从而有效加快了采用非共振轻敲模式测试待测表面性质时的速度，缩短了同一待测表面的测试时间。

可选的，信号发生器可以为外部信号发生器或由控制器中的数字-模拟转换器组成的内置信号发生器。

需要说明的是，本实施例中的原子力显微镜中的控制器可以利用数字-模拟转换器实现信号发生器的功能，用于产生激励信号和同步信号等信号。

较佳的，信号发生器可以为外部信号发生器，以达到减轻控制器的负担的有益效果。

图5是本发明实施例提供的又一种原子力显微镜的局部结构示意图。在图4所示结构的基础上，图5进一步示意出了激励模块。如图5所示，激励模块810可以包括功能膜层820和激励部件840，功能膜层820位于悬臂梁831上，激励部件840与信号发生器700连接。

示例性的，功能膜层820的材料可以为压电材料。

可选的，压电材料可以为氧化锌。可以理解的是，压电材料还可以为氧化锌外的其他压电材料，本实施例对此不作具体限定。

相应的，继续参见图5，激励部件810可以包括正电极841和负电极842，正电极841和负电极842均与功能膜层820电连接，并且电连接信号发生器700的激励信号的输出端。

需要说明的是，正负电压信号通过正电极841和负电极842施加于功能膜层820上，使得功能膜层820受激发生形变，进而带动探针830偏转。

示例性的，功能膜层820的材料也可以为导电材料。

本实施例对形成功能膜层820的导电材料的具体种类不做限定，凡是导电材料均在本实施例的保护范围内。

相应的，图6是本发明实施例提供的又一种原子力显微镜的局部结构示意图。图6所示结构与图5所示结构相似，不同的是，在图6中激励部件810包括激励电极，激励电极与功能膜层820相对间隔设置，激励电极电连接信号发生器700的激励信号的输出端。

需要说明的是，激励电极与功能膜层820施加不同电压信号，两者之间具有相互作用力，激励电极上的电压变化时，在上述作用的作用下，功能膜层820带动探针830做出对应的偏转运动。

示例性的，激励部件810的材料还可以为磁性材料。

本实施例对形成功能膜层820的磁性材料的具体种类不做限定，凡是磁性材料均在本实施例的保护范围内。

相应的，图7是本发明实施例提供的又一种原子力显微镜的局部结构示意图。图7所示结构与图5所示结构相似，不同的是，在图7中激励部件810包括激励线圈，激励线圈的中轴线垂直于待测表面，激励线圈电连接信号发生器700的激励信号的输出端。

需要说明的是，激励线圈在激励信号的作用下产生磁场，功能膜层820在上述磁场作用下在第一方向Z上往返偏转，带动探针830在第一方向Z上往返偏转。

可选的，原子力显微镜还可以包括上位机，上位机与控制器连接。上位机用于实现用户交互功能，使得用户能够通过上位机控制原子力显微镜的工作情况，又能够通过界面观测测试图像。

图8是本发明实施例提供的又一种原子力显微镜的局部结构示意图。在图4所示结构的基础上，图8进一步示意出了激励模块。如图8所示，激励模块810为电热丝，电热丝位于悬臂梁831上，电热丝810电连接信号发光器700的激励信号的输出端。

需要说明的是，电热丝直接与悬臂梁831接触，当信号发生器700发出的激励信号施加于电热丝上时，悬臂梁831受热膨胀，带着探针830在第一方向Z上运动。

图9是本发明实施例提供的一种样品表面性质的测试方法的流程示意图。该测试方法应用于本发明任意实施例提供的原子力显微镜，所述样品表面性质的测试方法具体包括如下：

步骤1、控制器通过位移粗调单元调节Z向压电陶瓷的位置，以使探针位于待测表面上方。

示例性的，探针和待测表面之间的距离可以为几个微米，例如1～3个微米。此时针尖与待测表面之间的距离较大，探针在第一方向上的往返偏转不会使得针尖与待测表面接触。

步骤2、信号发生器产生激励信号和同步信号，并将激励信号和同步信号分别传输至激励模块和控制器。

值得注意的是，由于本申请针对非共振轻敲模式，因此，需使得探针在远离其共振频率处振动。

可以理解的是，激励信号与同步信号的周期相同，示例性的，激励信号可以为正弦信号，例如，激励信号可以为交流信号，同步信号可以为脉冲信号。

步骤3、激励模块在激励信号的作用下，激励悬臂梁在第一方向上往返偏转。

可以理解的是，由于此时探针与待测表面之间的距离较远，如上，通常为几个微米，因此，探针的偏转过程中针尖均不会与待测表面接触。

步骤4、激光探测器实时接收从悬臂梁反射的激光，并将多个周期信号求和取平均后作为背景信号存储至控制器中，其中，周期信号为一个同步信号周期内的悬臂偏转信号，悬臂偏转信号为激光探测器将接收到的光信号进行转换获得的电信号。

可以理解的是，上述内容中提及的第三信号即为背景信号，相关说明可参见上述相关内容，此处不再赘述。

步骤5、根据悬臂偏转信号和激励信号获得激励信号延迟，采用激励信号延迟校准同步信号。

需要说明的是，探针具有一定的质量，且信号传输需要一定的时间，上述因素均导致在检测悬臂梁偏转时，光电探测器检测到的信号相对于激励信号有延时，后续基于激励信号确定的同步信号会有误差，进而寻找峰值位置的过程中会因此出现误差甚至是错误，因此在进行操作之前先根据激励信号和光电探测器检测到的信号获取延时量，基于该延时量校准同步信号，获得检测中实际采用的同步信号。

步骤6、控制器控制位移粗调单元及Z向压电陶瓷的位置来调节探针的位置，以使针尖逼近待测表面。

步骤7、激光探测器实时接收从悬臂梁反射的激光，并将光信号转换获得的电信号作为悬臂梁的实际偏转信号传输给控制器。

可以理解的是，上述内容中提及的第一信号即为实际信号，相关说明可参见上述相关内容，此处不再赘述。

步骤8、控制器将实际偏转信号与背景信号的差信号作为检测信号，并根据检测信号与同步信号，得到针尖与待测样品表面的最大相互作用作为峰值力，并将峰值力作为反馈输入，判断反馈输入与预设值的大小关系，若反馈输入大于或等于预设值，则跳至步骤9，否则返回至上述步骤6。

示例性的，图10是本发明实施例提供的一组背景信号、实际信号以及检测信号的实测图。图10中的各示意图均在10kHz的悬臂梁振动频率下获得。如图10所示，位于图10最上侧的信号示意图为背景信号的实测图，位于中间的信号示意图为实际信号的实测图，位于图10最下侧的信号示意图为检测信号的实测图。

可选的，预设值可以为针尖与待测表面之间接触，但接触力不会损伤待测表面时的作用力。具体的，控制器判断峰值力小于预设值时，通过Z向压电陶瓷控制探针朝向待测表面运动，以使得针尖与待测表面之间的作用力增大，控制器判断峰值力大于预设值时，通过Z向压电陶瓷控制探针背离待测表面运动，以使得针尖与待测表面之间的作用力减小，进而能够向预设力的靠近，最终等于预设力。

步骤9、待测样品表面水平栅格状遍历扫描，控制器以峰值力作为反馈输入控制Z向压电陶瓷的位置，以获得样品的三维形貌和力与距离的关系曲线。

本实施例提供的技术方案，通过激励模块驱动探针在第一方向上偏转，并通过激光器和光电探测器配合实现偏转检测，分别获得偏转过程中针尖与待测表面不存在接触时的背景信号，以及偏转过程中针尖逼近待测表面过程中的实时实际信号，将实际信号与背景信号的差信号作为检测信号，在根据检测信号获得峰值力，比较峰值力与预设值的大小关系，并根据比较结果调节探针位置或进行扫描测试，使得原子力显微镜能够直接激励质量较轻的悬臂梁，使得探针的振动频率大幅提高，从而有效加快了采用非共振轻敲模式测试待测表面性质时的速度，缩短了同一待测表面的测试时间。

下面示例性的给出采用本申请提供的原子力显微镜以及表面形貌测试方法获得的检测结果。具体的，图11是本发明实施例提供的一种探针受力随探针运动的距离变化示意图。图11以虚线示意出探针靠近待测表面过程中的上述变化示意图，并以实线示意出探针远离待测表面过程中的上述变化示意图，且具体标识出了峰值力和粘附力。图12是本发明实施例提供的不同材质的待测表面对应的检测信号示意图。图12中示意出PS材质以及LDPE材质的待测表面对应的上述检测信号示意图，其中，虚线对应PS材质，实线对应LDPE材质。图13是本发明实施例提供的一种由PS及LDPE材质组成的样品的形貌图。图14是与图13对应的待测表面的粘附力实测图。图13和图14均在5KHz的悬臂梁振动频率和5.5Hz的行扫描频率下扫描成像获得的测试结果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (11)

1.一种原子力显微镜，其特征在于，包括：

信号发生器，用于产生并输出激励信号和同步信号；

探针组件，所述探针组件包括探针以及激励模块，所述探针包括悬臂梁以及位于所述悬臂梁第一端的针尖，所述激励模块与所述信号发生器连接，用于接收所述激励信号，并在所述激励信号的作用下驱动所述探针在第一方向上偏转，所述第一方向垂直于待测表面；

Z向压电陶瓷，所述悬臂梁的第二端通过探针夹与所述Z向压电陶瓷连接，所述Z向压电陶瓷用于在纳米尺度下在所述第一方向上移动所述探针；

激光发生器，用于向所述悬臂梁发射激光；

光电探测器，用于接收从所述悬臂梁反射的激光，并将接收的光信号转换为电信号；

位移粗调单元，所述位移粗调单元与所述Z向压电陶瓷连接，用于粗调所述Z向压电陶瓷的位置，以粗调探针夹及探针的位置；

控制器，所述控制器与所述信号发生器、所述光电探测器、所述位置粗调单元以及所述Z向压电陶瓷连接，用于根据所述电信号获取背景信号和实时信号，将所述实时信号与所述背景信号的差信号作为检测信号，根据所述同步信号和所述检测信号，获取所述针尖和所述待测表面的最大相互作用力作为峰值力，将所述峰值力作为反馈输入，并在判断所述反馈输入和预设值有差别时，控制所述Z向压电陶瓷调节所述探针的位置；

样品台，用于承载待测样品，所述待测样品的所述待测表面朝向所述探针；

其中，所述激励模块为非激光光热激励模块。

2.根据权利要求1所述的原子力显微镜，其特征在于，所述信号发生器为外部信号发生器或由所述控制器中的数字-模拟转换器组成的内置信号发生器。

3.根据权利要求1所述的原子力显微镜，其特征在于，所述激励模块包括功能膜层和激励部件，所述功能膜层位于所述悬臂梁上，所述激励部件与所述信号发生器连接。

4.根据权利要求3所述的原子力显微镜，其特征在于，所述功能膜层的材料为压电材料。

5.根据权利要求4所述的原子力显微镜，其特征在于，所述激励部件包括正电极和负电极，所述正电极和所述负电极均与所述功能膜层电连接，并且电连接所述信号发生器的激励信号的输出端。

6.根据权利要求3所述的原子力显微镜，其特征在于，所述功能膜层的材料为导电材料。

7.根据权利要求6所述的原子力显微镜，其特征在于，所述激励部件包括激励电极，所述激励电极与所述功能膜层相对间隔设置，所述激励电极电连接所述信号发生器的激励信号的输出端。

8.根据权利要求3所述的原子力显微镜，其特征在于，所述功能膜层的材料为磁性材料。

9.根据权利要求8所述的原子力显微镜，其特征在于，所述激励部件包括激励线圈，所述激励线圈的中轴线垂直于所述待测表面，所述激励线圈电连接所述信号发生器的激励信号的输出端。

10.根据权利要求1所述的原子力显微镜，其特征在于，所述激励模块为电热丝，所述电热丝位于所述悬臂梁上，所述电热丝电连接所述信号发光器的激励信号的输出端。

11.一种样品表面性质的测试方法，应用于权利要求1-10任一项所述的原子力显微镜，其特征在于，包括：

步骤1、所述控制器通过所述位移粗调单元调节所述Z向压电陶瓷的位置，以使所述探针位于所述待测表面上方；

步骤2、所述信号发生器产生所述激励信号和所述同步信号，并将所述激励信号和所述同步信号分别传输至所述激励模块和所述控制器；

步骤3、所述激励模块在所述激励信号的作用下，激励所述悬臂梁在所述第一方向上往返偏转；

步骤4、所述激光探测器实时接收从所述悬臂梁反射的激光，并将多个周期信号求和取平均后作为背景信号存储至所述控制器中，其中，所述周期信号为一个同步信号周期内的悬臂偏转信号，所述悬臂偏转信号为所述激光探测器将接收到的光信号进行转换获得的电信号；

步骤5、根据所述悬臂偏转信号和所述激励信号获得激励信号延迟，采用所述激励信号延迟校准所述同步信号；

步骤6、所述控制器控制所述位移粗调单元及所述Z向压电陶瓷的位置来调节探针的位置，以使所述针尖逼近所述待测表面；

步骤7、所述激光探测器实时接收从所述悬臂梁反射的激光，并将光信号转换获得的电信号作为悬臂梁的实际偏转信号传输给所述控制器；

步骤8、所述控制器将所述实际偏转信号与所述背景信号的差信号作为检测信号，并根据所述检测信号与所述同步信号，得到针尖与待测样品表面的最大相互作用作为峰值力，并将所述峰值力作为反馈输入，判断所述反馈输入与预设值的大小关系，若所述反馈输入大于或等于预设值，则跳至步骤9，否则返回至上述步骤6；

步骤9、所述待测样品表面水平栅格状遍历扫描，所述控制器以所述峰值力作为反馈输入控制所述Z向压电陶瓷的位置，以获得样品的三维形貌和力与距离的关系曲线。