專利名稱：基于原子力顯微鏡技術(shù)的測量襯底上柔軟樣品高度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于原子力顯微鏡技術(shù)的測量襯底上柔軟樣品高度的方法，解決原子力顯微鏡中由于針尖壓力引起的柔軟樣品的高度變形問題。
AFM是利用針尖和樣品間的范德華力進(jìn)行成像，而范德華力的作用范圍很小，所以針尖只有在很靠近樣品表面的高度才能穩(wěn)定成像。如果在導(dǎo)電AFM針尖上加一定的偏壓，如靜電力顯微鏡(C.Go′mez-Navarro，F(xiàn).Moreno-Herrero，P.J.de Pablo，J.Colchero，J.Go′mez-Herrero，A.M.Baro′.PNAS 2002；99(13)8484-8487)和掃描極化力顯微鏡(Hu J.，Xiao X.，Salmeron M.Appl.Phys.Lett.1995；67(4)476-478)，針尖與樣品之間能誘導(dǎo)形成電場，與范德華力相比，電場力更強(qiáng)，作用范圍也更遠(yuǎn)。這種電場力疊加在范德華力上擴(kuò)大了針尖與樣品的有效作用距離，缺點(diǎn)是由于受到針尖和樣品間距的限制，橫向分辨率較低。
靜電力顯微鏡和磁力顯微鏡中使用抬高模式(lift mode)開兩個頻道，在主掃描頻道中以輕敲模式對樣品的表面形貌成像，完成一行掃描線后，將反饋系統(tǒng)關(guān)閉，在主掃描得到的高度信息的基礎(chǔ)上，改變插入掃描頻道中的掃描高度參數(shù)，抬高針尖的位置，然后對樣品上同一位置進(jìn)行掃描，如此反復(fù)進(jìn)行，直到掃描完一幅完整的圖，得到樣品表面電學(xué)或磁學(xué)方面的信息，但這種方法沒有應(yīng)用于測量襯底上柔軟樣品的高度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新的基于原子力顯微鏡技術(shù)的測量襯底上柔軟樣品高度的方法，克服由于針尖壓力引起的柔軟樣品的高度變形問題，使成像穩(wěn)定，測量更為精確。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案中，采用在針尖上外加靜電力的方法，通過調(diào)節(jié)Asp參數(shù)(加在針尖上的力的大小)或插入掃描頻道中的掃描高度參數(shù)來改變針尖高度，使針尖可以在不同的高度上穩(wěn)定成像，從樣品的上表面起到襯底結(jié)束，針尖在垂直方向上的位移作為襯底上被測樣品的高度。
本發(fā)明的具體方法如下(1)將導(dǎo)電針尖裝入針尖支架上并與外界電源相連，針尖支架與儀器的其他部分絕緣，儀器的其他部分接地。先調(diào)節(jié)參數(shù)如Asp和增益(gain)得到穩(wěn)定的成像，然后通過函數(shù)發(fā)生器將0～+15V、頻率為200～300KHz的交流電加在針尖上，針尖與樣品之間產(chǎn)生誘導(dǎo)電場。
針尖上外加電壓頻率和幅度的選擇是因?yàn)樵谥绷鞯那闆r下，靜電力隨表面電荷的聚集而不斷增大，使針尖的位置不斷漂移，成像不穩(wěn)定，所以一般情況下不使用直流電。如果使用高頻交流成像，當(dāng)頻率升到KHz以上時，移動電荷的作用就不那么明顯了。使用的頻率只要不與針尖的驅(qū)動頻率發(fā)生共振，對力曲線的影響大致相同，在實(shí)驗(yàn)中使用200～300KHz的交流電。不論是直流電還是交流電，所加電壓在0～+15V范圍內(nèi)，電壓越大，產(chǎn)生的靜電力越大，作用距離越遠(yuǎn)。
針尖上設(shè)置的力Asp的選擇Asp的設(shè)置對成像效果也有明顯的影響。Asp設(shè)置得越大，針尖距離表面越遠(yuǎn)，直到最后無法對樣品的形貌成像；Asp設(shè)置得越小，針尖越靠近表面。(2)通過調(diào)節(jié)Asp參數(shù)或插入掃描頻道中的掃描高度參數(shù)來改變針尖高度兩種途徑，得到被測樣品的高度。
途徑一通過調(diào)節(jié)Asp的方法改變針尖的高度。首先是確定Asp的變化值與針尖和樣品間距d的關(guān)系將Asp變化一定的值，所得空白區(qū)域定點(diǎn)掃描的截面圖上呈階梯狀，測量臺階間距，得出Asp的變化值與針尖在Z軸上位移的關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，這應(yīng)是線型關(guān)系。然后測量樣品高度先設(shè)置較大的Asp使針尖遠(yuǎn)離樣品，不斷減小Asp，從樣品的上表面開始到襯底表面結(jié)束，從Asp的差值可以算出針尖的位移，這一段距離就是樣品的高度。
途徑二通過調(diào)節(jié)插入掃描中的掃描高度參數(shù)來改變針尖高度。在主掃描中，調(diào)節(jié)所加的偏壓或Asp使針尖遠(yuǎn)離樣品，使樣品在圖像上沒有反差，這樣維持針尖在一個恒定的高度；而在插入掃描中，不斷減小掃描高度參數(shù)，從樣品的上表面開始到襯底表面結(jié)束，掃描高度參數(shù)的差值就是樣品的高度。測量樣品高度本發(fā)明的方法具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。由于靜電力的導(dǎo)入擴(kuò)大了針尖與樣品的距離，使針尖在垂直方向上的位移更容易控制，可以在不同的高度上穩(wěn)定成像。這種新的測量高度的方法，在柔軟的生物樣品的高度測量上更有優(yōu)勢。由于原子間的排斥力只在幾個的距離內(nèi)起作用，針尖的抬升使排斥力迅速減小，也就是樣品所受到的壓力減小，所以發(fā)生的形變也隨之減小。
按照途徑一測量膠體金顆粒的高度。將Asp從0.33V變化到0.23V，所得空白區(qū)域定點(diǎn)掃描的截面圖上臺階間距是1.1nm，可知Asp每變化1V，針尖的位置在Z軸上變化11nm。然后測量某一個膠體金顆粒的高度，從膠體金顆粒的上表面開始到襯底結(jié)束，Asp的值從0.70V減小到0.28V，變化了0.42V，從而算出金顆粒的高度是0.42V×11nm/V＝4.6nm，與輕敲模式AFM中的測量結(jié)果4.5nm類似。
按照途徑二，即通過改變插入掃描頻道中掃描高度參數(shù)來測量膠體金顆粒的高度。從膠體金顆粒的上表面開始到襯底結(jié)束，掃描高度參數(shù)從0nm減小到-3.5nm，即針尖在Z軸上下降了3.5nm，也就是金顆粒的高度，與在輕敲模式AFM中的結(jié)果3.5nm類似。
這兩種途徑測量的膠體金顆粒的高度都與一般輕敲模式AFM中的測得結(jié)果類似。
按照途徑一測量dsDNA的高度。Asp從0.86V變化到0.76V，截面圖上臺階間距是0.8nm，可知Asp每變化1V，針尖的位置在Z軸上變化8nm。然后測量某一根dsDNA的高度，從DNA的上表面開始到襯底結(jié)束，Asp的值從0.90V減小到0.75V，變化了0.15V，從而算出dsDNA的高度是0.15V×8nm/V＝1.2nm，而輕敲模式AFM中測得的最大高度為0.7nm。
按照途徑二測量dsDNA的高度，從DNA的上表面開始到襯底結(jié)束，掃描高度參數(shù)從-2.1nm變化到-3.2nm，針尖在Z軸上下降了1.1nm，即dsDNA的高度，而輕敲模式AFM中測得的最大高度為0.7nm。
這兩種途徑測量的dsDNA高度都比一般輕敲模式AFM中測得結(jié)果要高。
權(quán)利要求
1.一種基于原子力顯微鏡技術(shù)的測量襯底上柔軟樣品高度的方法，其特征在于包括(1)將導(dǎo)電針尖裝入針尖支架上并與外界電源相連，針尖支架與儀器的其他接地部分絕緣，先調(diào)節(jié)參數(shù)得到穩(wěn)定的成像，然后將0～±15V、頻率為200～300KHz的交流電加在針尖上；(2)通過調(diào)節(jié)Asp參數(shù)或插入掃描頻道中的掃描高度參數(shù)來改變針尖高度的兩種途徑，得到被測樣品的高度。
2.如權(quán)利要求1所說的基于原子力顯微鏡技術(shù)的測量襯底上柔軟樣品高度的方法，其特征在于通過調(diào)節(jié)Asp的方法改變針尖的高度時，首先將Asp變化一定的值，所得空白區(qū)域定點(diǎn)掃描的截面圖上呈階梯狀，測量臺階間距，得出Asp的變化值與針尖在Z軸上位移的關(guān)系，據(jù)此確定Asp與針尖和樣品間距d的關(guān)系，然后設(shè)置較大的Asp使針尖遠(yuǎn)離樣品，不斷減小Asp，從樣品的上表面開始到襯底表面結(jié)束，從Asp的差值算出針尖的位移，得到樣品的高度。
3.如權(quán)利要求1所說的基于原子力顯微鏡技術(shù)的測量襯底上柔軟樣品高度的方法，其特征在于通過調(diào)節(jié)插入掃描中的掃描高度參數(shù)來改變針尖高度時，在主掃描中，調(diào)節(jié)所加的偏壓或Asp使針尖遠(yuǎn)離樣品，使樣品在圖像上沒有反差，這樣維持針尖在一個恒定的高度，而在插入掃描中，不斷減小掃描高度參數(shù)，從樣品的上表面開始到襯底表面結(jié)束，掃描高度參數(shù)的差值就是樣品的高度。
全文摘要
一種基于原子力顯微鏡技術(shù)的測量襯底上柔軟樣品高度的方法，將導(dǎo)電針尖裝入針尖支架上并與外界電源相連，針尖支架與儀器的其他接地部分絕緣，先調(diào)節(jié)參數(shù)得到穩(wěn)定的成像，然后將0～±15V、頻率為200～300KHz的交流電加在針尖上；通過調(diào)節(jié)Asp參數(shù)或插入掃描頻道中的掃描高度參數(shù)來改變針尖高度的兩種途徑，得到被測樣品的高度。本發(fā)明的方法由于靜電力的導(dǎo)入擴(kuò)大了針尖與樣品的距離，使針尖在垂直方向上的位移更容易控制，可以在不同的高度上穩(wěn)定成像，在柔軟的生物樣品的高度測量上更有優(yōu)勢。
文檔編號G01B21/02GK1410753SQ0214527
公開日2003年4月16日 申請日期2002年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月14日
發(fā)明者李曉軍, 孫潔林, 胡鈞, 李民乾, 何品剛, 方禹之, 胡曉芳 申請人:上海交通大學(xué)