實時基線確定的力測量的制作方法
【專利摘要】一種原子力顯微鏡(AFM)及其方法，提供較小力的(sub?20pN)AFM控制，并提供力學(xué)性能測試。優(yōu)選實施例采用實時的虛假偏轉(zhuǎn)修正/辨別，通過適應(yīng)性地修改驅(qū)動傾斜來符合偏轉(zhuǎn)偽影。
【專利說明】
實時基線確定的力測量[0001 ] 相關(guān)申請的交互參照[0002]依據(jù)35USC§119(e)，本發(fā)明作為正式申請，請求2013年12月7日提交的題為“實時 基線確定的力測量”的美國臨時專利申請N0.61 /913，248的優(yōu)選權(quán)。該申請主題的全部內(nèi)部 被納入此處作為參考。[0003]發(fā)明
【背景技術(shù)】領(lǐng)域
[0004]本發(fā)明的優(yōu)選實施例涉及一種用于執(zhí)行力測量的裝置和方法，更具體地說，用于感應(yīng)針尖與樣品交互力的改進(jìn)的探針顯微鏡，該探針顯微鏡可在感興趣的針尖與樣品作用力和虛假作用力信號之間提供實時辨別，即，典型的力譜或力分布實驗中的偏轉(zhuǎn)偽影。
[0005]相關(guān)技術(shù)說明
[0006]力譜涉及一種使探針接近樣品并從樣品縮回探針的控制方式，測量探針與樣品的不同距離。在整個過程中監(jiān)測交互力或相關(guān)的可觀察交互。在接近和縮回期間力作為針尖與樣品距離的功能，涉及力譜或力曲線。力譜一直以來是研究人員使用的主要方法，通過范圍廣泛的牽拉(分子被拉伸且觀察展開或結(jié)合力)、壓痕(探針被壓入至表面，且觀察樣品的彈性，塑料性能或蠕變性能)、以及刮痕(探針被壓入至樣品，然后橫向移動來研究磨損和涂層附著力)等技術(shù)來研究范圍廣泛的樣品。針對這些子技術(shù)的每一個，專用儀器已被開發(fā)， 例如用于牽拉的光學(xué)鑷子或磁珠，用于壓痕的專用納米壓痕儀，以及自動刮痕測試器。
[0007]在這方面，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，從而可針對范圍廣泛的單分子樣品進(jìn)行機(jī)械性實驗，由此，基礎(chǔ)分子交互可直接被研究。通過近似pico-Newtons (pN= 1(T12N)的力敏感性， 一種被稱為原子力顯微鏡(AFM)的特殊類型的掃描探針顯微鏡(SPM)，提供優(yōu)秀的工具來探測表面之間的基礎(chǔ)力交互。原子力顯微鏡被用來探測探針和樣品之間的力的性質(zhì)，用于許多類型的交互力(被命名為范德瓦爾斯和靜電力)，且優(yōu)點在于該技術(shù)使用時不要求針尖或樣品為導(dǎo)電的。一些示例性的絕緣和導(dǎo)電樣品被研究，包括類似氮化硅的材料、金剛石、氧化鋁、云母、玻璃、石墨、和各種有機(jī)材料。其他應(yīng)用包括粘附、摩擦、和磨損的研究，包括親水性硅、非晶碳、和潤滑的二氧化硅表面上的毛細(xì)凝聚形成或抑制。
[0008]對于生物分子，力通常是重要的功能和結(jié)構(gòu)參數(shù)。在類似DNA復(fù)制，蛋白質(zhì)合成，和藥物交互等的生物過程中，很大程度上受分子間作用力支配。然而，這些力非常小。通過 pico-Newton的力敏感性，采用SPM來分析這些交互。在這方面，SPM通常被用來生成力曲線， 提供特別有用的信息來分析非常小的樣品(與個體分子一樣小)或是具高度細(xì)節(jié)的大樣品。
[0009]有關(guān)結(jié)構(gòu)、功能、和力之間的關(guān)系的知識逐步形成，因此，特別是使用SPM的單分子力譜，已成為全能型的分析工具，用于研究單個生物分子在其原生環(huán)境中的結(jié)構(gòu)和功能。例如，SPM的力譜被用來測量不同受體-配體系統(tǒng)的結(jié)合力，觀察蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域的可逆性展開， 研究原子間鍵合翻轉(zhuǎn)水平的多聚糖彈性。此外，分子馬達(dá)和其功能、DNA力學(xué)、以及DNA結(jié)合劑的操作，類似藥物中的蛋白質(zhì)也可被觀察。此外，SPM能夠針對生物標(biāo)本進(jìn)行納米機(jī)械性測量(例如彈性)，從而提供類似細(xì)胞和蛋白質(zhì)動力學(xué)課題的數(shù)據(jù)。
[0010]原子力顯微鏡力測量的另一主要應(yīng)用是材料科學(xué)，其研究納米尺寸薄膜和感興趣集群的機(jī)械性能。例如，類似不斷被縮小的集成電路的微結(jié)構(gòu)，從大多數(shù)材料的已知性能中預(yù)測薄膜的機(jī)械行為變得越來越不準(zhǔn)確。因此，不斷需要更快的計算機(jī)和更大容量的存儲器和儲存裝置來理解金屬和其他常用材料的納米力學(xué)變得越來越重要。
[0011]為了理解與使用原子力顯微鏡的實驗相關(guān)的問題，有益的方法是檢查原子力顯微鏡本身。原子力顯微鏡是一種通常使用尖銳的針尖和較低的力來使樣品表面特征化至原子尺寸的裝置。除了類似形貌成像的表面特征成像以外，原子力顯微鏡可探測樣品及其表面的納米機(jī)械性和其他基本屬性。此外，原子力顯微鏡的應(yīng)用延伸至測量膠體力、監(jiān)測個體蛋白質(zhì)中的酶活性、以及分析DNA力學(xué)的應(yīng)用范圍。
[0012]在原子力顯微鏡中，探針的針尖被引入至樣品的表面，來檢測樣品特征中的變化。在針尖和樣品之間提供相對的掃描移動，從而可在樣品的特定區(qū)域獲得表面特征數(shù)據(jù)，并且可以生成對應(yīng)的樣品表面映射。在此應(yīng)注意，SPM還包括類似分子力探針(MFPs)的裝置，同樣使用探針來使樣品性質(zhì)特征化，但不掃描。
[0013]在原子力顯微鏡的一個應(yīng)用中，樣品或探針垂直地相對于樣品的表面被上下轉(zhuǎn)換，以響應(yīng)與探針的懸臂運(yùn)動相關(guān)的信號，整個表面被掃描來保持特定的成像參數(shù)(例如，保持設(shè)定點的振蕩幅度)。在這種方式中，與該垂直運(yùn)動相關(guān)的反饋數(shù)據(jù)可以被儲存，然后用來構(gòu)造樣品表面圖像，與被測量的樣品特征相對應(yīng)，例如，表面形貌。其他類型的圖像直接從檢測的懸臂運(yùn)動或改型的信號(即，偏轉(zhuǎn)、振幅、相位，摩擦等)中被生成，并由此通常可提供互補(bǔ)信息至形貌圖像。
[0014]原子力顯微鏡的關(guān)鍵元件是探針。探針由微觀懸臂構(gòu)成，典型長度為10-1000微米，以及彈簧常數(shù)為0.001-1000N/m。懸臂被固定在其基座上，通過其自由端附近的針尖與樣品交互。為了使測量局部化，原子力顯微鏡探針通常具有非常尖銳的尖頂(直徑為幾納米以下)。通過在表面上掃描橫向，該尖銳的針尖可實現(xiàn)高分辨率的形貌映射(通常選擇用于力譜的興趣區(qū)域)和材料特性，但相比較大的針尖更脆弱。力的范圍通?？筛鶕?jù)與針尖連接的懸臂剛度(彈簧常數(shù))被應(yīng)用或觀察。為了存取不同范圍的力，用戶僅需改變探針。
[0015]原子力顯微鏡的第二個關(guān)鍵元件是微定位器或掃描儀，使懸臂基座和樣品之間的相對位置被控制。針尖和樣品的相對位置可以通過移動探針、樣品、或上述兩者的結(jié)合被控制。大多數(shù)的原子力顯微鏡掃描儀可在三維中控制針尖與樣品的相對位置，可以是垂直于樣品表面或大致與其平行。
[0016]在典型的力譜傾斜操作中，針尖相對于樣品表面被移動(通常朝向表面)，直到滿足一定的力或偏轉(zhuǎn)觸發(fā)閾值，此時系統(tǒng)自動采取動作，例如改變運(yùn)動方向或速度。另外，其他一些測量的變量(振幅、相位、偏轉(zhuǎn)、電流、變形、側(cè)向力等)可被用來代替力且“Z”和/或其他系統(tǒng)可控制參數(shù)被調(diào)整(不同速率的傾傾斜、橫向移動來刮痕，施加電偏置至針尖或樣品、改變驅(qū)動振幅或頻率等)應(yīng)注意，范圍廣泛的力(幾PN至幾μΝ)可與原子力顯微鏡一起使用，使其在所有這些技術(shù)中被采用。此外，基于原子力顯微鏡的力譜可針對導(dǎo)電或非導(dǎo)電的樣品在空氣、液體、真空中進(jìn)行，并且在廣泛的溫度范圍內(nèi)。這些特征使其在類似范德瓦爾斯的分子間作用力的性質(zhì)，以及有關(guān)粘合、摩擦，磨損，塑性蠕變，粘彈性和彈性的分子折疊研究中被采用。
[0017]如上所述，當(dāng)針尖接近樣品和從樣品表面上的點縮回時，簡單的力曲線記錄探針的針尖上的力，力的值經(jīng)探針懸臂的偏轉(zhuǎn)被表示。已知的彈簧常數(shù)，懸臂的變節(jié)可經(jīng)胡克定律被直接轉(zhuǎn)換成交互力。更復(fù)雜的測量被稱為“力分布”，經(jīng)上述的整個樣品區(qū)獲得的一組力曲線被定義。每個力曲線在樣品表面上唯一的X-Y位置處被測量，且與X-Y點陣列相關(guān)的曲線與力數(shù)據(jù)的三維陣列或分布相結(jié)合。分布中點處的力值是位置(x，y，z)處探針的偏轉(zhuǎn)。
[0018]參照圖1A-1E和圖2,示出使用SPM(AFM)的力譜所產(chǎn)生的典型力曲線。特別是，圖 1 A- 1E示出探針10的針尖14和樣品16之間的作用力，在樣品上選擇的點(X，Y)處，使探針10 的懸臂12偏轉(zhuǎn)，從而針尖與樣品的間隔以直交于樣品表面的方向被調(diào)整。圖2示出力的量級，以及樣品位置函數(shù)，即，力曲線或剖面。[〇〇19]在圖1A，探針10和16樣品不接觸，且通過正交地朝向樣品表面來移動樣品，從而兩者之間的間隔變窄。在圖2中，針尖與樣品接近的點處測出力為零，經(jīng)曲線的平坦部分“A”被反射。然后，探針10可能會經(jīng)歷長距離的吸引(或排斥力)，其在與表面接觸之前將向下(或向上)偏轉(zhuǎn)。這種效果在圖1B中被示出。特別是，當(dāng)針尖與樣品的間隔變窄時，如果針尖14從樣品受到足夠的吸引力，可能會“跳”入來與樣品16接觸。在這種情況下，懸臂12的相應(yīng)彎曲出現(xiàn)在力剖面上，如圖2所示，在曲線部分處標(biāo)有“B”。
[0020]現(xiàn)參照圖1C，針尖14與樣品16接觸，懸臂則返回至零(非偏轉(zhuǎn))的位置，并向上移動，且樣品被轉(zhuǎn)換進(jìn)一步朝向探針10。如果探針10的懸臂12足夠硬，探針14可縮進(jìn)至樣品的表面。應(yīng)注意，在這種情況下，力曲線的“接觸部分”的斜率或形狀可以提供有關(guān)樣品表面的彈性信息。圖2中曲線的部分示出該接觸部分。
[0021]在圖1D中，加載探針12的懸臂10至所需的力值后，樣品16的位移被逆轉(zhuǎn)。由于探針 10被從樣品16撤回，針尖14可直接粘附至表面16,或是針尖14和樣品16之間生成連接，例如通過分子，其中相反的兩端被連接至針尖14和表面16。該粘附或連接導(dǎo)致懸臂14向下偏轉(zhuǎn)來響應(yīng)力。圖2的力曲線示出，在部分“D”處懸臂14向下彎曲。最后，在圖2中標(biāo)有“E”的部分處，粘附或連接被打破，探針10從樣品16釋放，如圖1所示。在該力曲線測量的部分中包含特別有用的信息，其中包含打破結(jié)合或拉伸連接的分子所需的力的測量。[〇〇22]在圖2中的最大力是測量操作中最重要的特征。當(dāng)預(yù)先定義的最大力達(dá)到時，也被稱為觸發(fā)力或觸發(fā)閾值或簡單的觸發(fā)，壓電式致動器將推動針尖遠(yuǎn)離樣品，并執(zhí)行縮回測量，如圖2所示的曲線D。實際上，圖2中的曲線C(接近)和D(縮回)應(yīng)重疊。示出間隔僅為了便于觀察。觸發(fā)力的水平?jīng)Q定了測量系統(tǒng)的性能水平。本領(lǐng)域目前的儀器可操作并觸發(fā)幾百 pN至InN的觸發(fā)力。在力譜測量中需要較低的觸發(fā)力。實際上，原子力顯微鏡測量偏轉(zhuǎn)以及將偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成力。觸發(fā)力由預(yù)先定義的偏轉(zhuǎn)值表示。當(dāng)探針與樣品不交互時，偏轉(zhuǎn)保持不變。偏轉(zhuǎn)相對于常數(shù)的變化通常是由于針尖與樣品的交互，并用來測量針尖與樣品交互力。 [〇〇23]雖然SPMs在上述測量中特別有用，但該系統(tǒng)仍舊具有問題。實驗性地，在圖1A-E和圖2所示的例子中，力曲線測量的應(yīng)用，例如，將循環(huán)式三角波電壓模式應(yīng)用至Z軸掃描儀的電極。該現(xiàn)有系統(tǒng)在測量時往往缺乏靈活性，且為非循環(huán)式。三角波驅(qū)動信號使掃描儀擴(kuò)大并以垂直方向來接觸產(chǎn)生探針和樣品之間的相對運(yùn)動。在該系統(tǒng)中，三角形波的振幅以及波頻率可以被控制，從而在原子力顯微鏡懸臂針尖移動的力測量期間，研究人員可線性地變化距離和速度。
[0024]在非循環(huán)方式中通常需要修改力測量的參數(shù)，包括針尖與樣品間隔被調(diào)整后的速度、暫停時間(例如，允許表面上針尖和分子之間的分子結(jié)合)等，來分析例如對應(yīng)于復(fù)雜的力學(xué)模型的力。在Bruker納米公司的美國專利Nos.6，677，697和7，044，007中公開了一種系統(tǒng)和方法，力測量執(zhí)行中的靈活性被提高，其全部內(nèi)容被納入此處作為參考。例如，針尖與樣品作用力中的特定變化或變化率，或針尖與樣品作用力的特定值可指示出一些有關(guān)樣品的屬性。相應(yīng)地，該儀器改變對應(yīng)于特定測量條件的力曲線測量參數(shù)(如移動的速度)。或是，例如，當(dāng)位置(間隔)被控制時，該系統(tǒng)可根據(jù)相對時間的力的路徑來生成所需的力剖面，而不是相對時間的位置(間隔)路徑。
[0025]盡管如此，仍然存在缺陷。特別是在進(jìn)行測量時背景(或基線力)中的因素。圖3示出，例如與圖2的力曲線相關(guān)的偏轉(zhuǎn)，包括偏轉(zhuǎn)偽影的影響，且在此所述的因素，與探針針尖和樣品之間的實際交互沒有關(guān)聯(lián)。如圖所示，力曲線的基線，由于探針和樣品被帶入在位置中接觸，且其中沒有針尖與樣品的交互，具有非理想的斜率“S”。如上所述，其可能是由含系統(tǒng)漂移等的許多因素而引起，當(dāng)試圖觸發(fā)基于特定針尖與樣品作用力的力測量操作時，該偏轉(zhuǎn)偽影可能會造成閾值觸發(fā)力好像已經(jīng)實現(xiàn)，但實際上沒有，因此在試圖測量Pico尺寸的力時很明顯會具有問題。
[0026]回到以前步驟，當(dāng)針尖位于其傾斜的起始位置時，觸發(fā)力可以是絕對的閾值，也可以是基于背景偏轉(zhuǎn)的相對閾值。理想地，絕對觸發(fā)可足以解決大多數(shù)實驗類型，但是發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)沒有完全對齊或具有長時間漂移的懸臂偏轉(zhuǎn)時，使用“相對閾值”會簡化操作。在大多數(shù)情況下，優(yōu)選是相對觸發(fā)，且針尖在足夠遠(yuǎn)離樣品處開始傾斜，由于其與樣品交互，因此不受力的影響。但是尚未解決的問題是，測量的懸臂偏轉(zhuǎn)不是自樣品和針尖之間的力中發(fā)生變化(傾斜期間)，而是自測量“偽影”中產(chǎn)生。另一種方式，當(dāng)沒有測量偽影(測量基線=0)時絕對觸發(fā)較理想，且當(dāng)常數(shù)偏移至偽影(基線=常數(shù))相對觸發(fā)較為理想。當(dāng)傾斜期間基線不恒定時，明顯地，實際偏轉(zhuǎn)和力可小于觸發(fā)閾值或大于觸發(fā)閾值。由于“虛假偏轉(zhuǎn)”(針尖與表面交互之前的偏轉(zhuǎn))可影響觸發(fā)、精度、可重復(fù)性，和偏轉(zhuǎn)觸發(fā)的精細(xì)控制，因此基線變化一直是原子力顯微鏡制造商和用戶關(guān)注的主要問題。
[0027]為了提高力譜中實時觸發(fā)的精度和可重復(fù)性，原子力顯微鏡制造商試圖設(shè)計系統(tǒng)，以減少虛假偏轉(zhuǎn)。然而，由于光路和懸臂基礎(chǔ)運(yùn)動(參照圖4A)的不理想而排除虛假偏轉(zhuǎn);與針尖上的力無關(guān)的懸臂彎曲，例如導(dǎo)致針尖隨溫度變化向下彎曲(參照圖4 B)的熱效應(yīng)；以及自樣品的光散射(圖4C-左邊的探針50俯視圖示出激光光斑52來自光束遍及杠桿寬度，與一些光L’橫向灑在桿的兩側(cè)并至樣品54);或是非充分懸臂表面的干涉仍舊是需解決的問題。用于說明兩種偏轉(zhuǎn)偽影的數(shù)據(jù)在圖5A(由于光干涉的偏轉(zhuǎn)偽影和不理想的光路造成正斜率和力曲線調(diào)整40)和圖5B(由于力曲線42中較強(qiáng)的光干涉44的偏轉(zhuǎn)偽影，示出測量的偏轉(zhuǎn)中正負(fù)斜率都較大)中被說明。應(yīng)注意，由于開發(fā)商轉(zhuǎn)向更短的懸臂來用于高頻寬低噪聲測量，上述影響中的一些被加重。
[0028]之前試圖通過處理數(shù)據(jù)來解決該問題，主要限制于線下分析，并在獲得后應(yīng)用算法來修力譜。該算法通常計算基線斜率(從針尖還沒有與表面交互的部分曲線，例如接近表面)，并將其從數(shù)據(jù)集減去。當(dāng)針尖不接近樣品(距離大于10納米)，數(shù)據(jù)中的偽影通過消除偏轉(zhuǎn)測量中的斜率被修正時，實際最大的力或觸發(fā)力可被恢復(fù)。修正后的數(shù)據(jù)，作為一個整體，無論是接近還是縮回，用來在進(jìn)一步的分析中導(dǎo)出樣品性質(zhì)。其雖然部分地解決了所述問題，但忽略了實際上針尖和樣品可由于其經(jīng)歷的力而被改變。至少有三個獨(dú)特的情況下，測量可能會受到不利影響。在一種情況下，斜率或偏轉(zhuǎn)偽影的變化可達(dá)到預(yù)定的觸發(fā)力(或用于偏轉(zhuǎn)的觸發(fā)閾值)。在這種情況下，原子力顯微鏡系統(tǒng)的壓電式致動器將基于該虛假觸發(fā)縮回探針。
[0029]因此，所獲得的力譜數(shù)據(jù)將不會反映任何針尖與樣品的交互。其通常被稱為虛假觸發(fā)力曲線。另一種情況下，特別是由于探針接近樣品，斜率向下傾斜時(進(jìn)一步在圖18中示出)，最大觸發(fā)力可能大大高于所需的觸發(fā)力。樣品或探針可能會被不可逆地?fù)p傷。在第三種情況下，多個力曲線可能需要以相同的觸發(fā)力被測量。在這種情況下，偽影偏轉(zhuǎn)可以修改由于多個力曲線的各組之間偽影的時間或位置變化的單個觸發(fā)。最大的問題是如何在整個傾斜被收集之前從重要數(shù)據(jù)中辨別偽影。在這種情況下，該系統(tǒng)可基于無偽影數(shù)據(jù)來改變傾斜方向或速度，自動采取動作，施加偏置至針尖或樣品，或調(diào)節(jié)另一個系統(tǒng)可控制參數(shù)。[0〇3〇]用于原子力顯微鏡的實時虛假偏轉(zhuǎn)修正的示例在Bruker納米公司的美國專利 N0.8，650，660中被提出(其全部內(nèi)容被納入此處作為參照)，其公開了被稱為峰值力輕敲模式的使用，來執(zhí)行機(jī)械性能測試。在這種情況下，假設(shè)該虛假偏轉(zhuǎn)為“基本恒定”，且系統(tǒng)升起探針來測量虛假偏轉(zhuǎn)偽影且無交互作用，然后從所有后續(xù)的曲線中減去測量的偽影。但是，虛假偏轉(zhuǎn)可能隨著時間的推移以及位置的功能而變化。特別是，虛假偏轉(zhuǎn)可能對于針尖和樣品之間的距離非常敏感，從而不切實際來使用這種技術(shù)，而不是通過針尖接觸先找到表面。用于實驗的該方法以外的規(guī)則，是必須觀察到針尖和樣品的第一次接觸，或當(dāng)針尖特別脆弱時，針尖與樣品作用力必須不能超越小于偏轉(zhuǎn)背景的值。此外，當(dāng)力測量被橫向分離幾十納米以上時，該假設(shè)的恒定虛假偏轉(zhuǎn)往往失敗。[〇〇31]因此，需要一種實時辨別，(1)允許針尖或針尖上的功能組被保留；(2)當(dāng)樣品位于特定配置中且可能會由于力的任何進(jìn)一步改變被破壞時(不可逆變形或分子從針尖脫離)， 允許數(shù)據(jù)被收集;和(3)特定力達(dá)到時允許系統(tǒng)執(zhí)行其他動作(刮痕、保持、改變運(yùn)動方向)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[〇〇32]優(yōu)選的實施方案為克服了現(xiàn)有系統(tǒng)的缺點，提供一種操作原子力顯微鏡來執(zhí)行力譜的方法，由于實際的針尖與樣品交互能夠從偏轉(zhuǎn)中辨別偏轉(zhuǎn)偽影。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r地執(zhí)行上述方法而無需針對產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)偽影的背景作出任何假設(shè)，即，無需系統(tǒng)設(shè)置、操作或環(huán)境的現(xiàn)有知識。
[0033]根據(jù)優(yōu)選實施例的第一個方面，一種檢測樣品和原子力顯微鏡的探針之間的可觀察交互的方法，包括在所述樣品的興趣位置處定位所述探針和所述樣品中的至少一個。然后所述方法中移動所述探針和所述樣品中的至少一個來減少其之間的間隔并使所述探針和所述樣品交互。然后基于所述移動的步驟確定可觀察交互。所述方法可從所述測量的可觀察交互數(shù)據(jù)中辨別經(jīng)實際探針與樣品交互產(chǎn)生的可觀察交互偽影和可觀察交互，來導(dǎo)出無偽影可觀察交互，并將其與觸發(fā)進(jìn)行比較。最后，在這種情況下，當(dāng)所述無偽影可觀察交互基本對應(yīng)于所述觸發(fā)時從所述樣品縮回所述探針。[〇〇34]根據(jù)優(yōu)選實施例的另一個方面，其中，所述可觀察交互包括以下組中的至少一個: 力；偏轉(zhuǎn)；電交互(類似力、電流、電壓)；磁交互；熱交互；和電磁交互(類似散射近場光信號)。[〇〇35]根據(jù)優(yōu)選實施例的另一方面，一種檢測樣品和原子力顯微鏡的探針之間的力的方法，包括:在所述樣品的興趣位置處定位所述探針和所述樣品中的至少一個;移動所述探針和所述樣品中的至少一個來減少其之間的間隔并使所述探針和所述樣品交互。然后所述方法基于所述移動的步驟測量所述探針的偏轉(zhuǎn);從所述測量的偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)中辨別出經(jīng)探針與樣品交互所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)偽影，來導(dǎo)出無偽影偏轉(zhuǎn)，并將其與預(yù)先定義的觸發(fā)力進(jìn)行比較。當(dāng)所述無偽影偏轉(zhuǎn)基本對應(yīng)于所述觸發(fā)力時，從所述樣品縮回所述探針，以及確定所述樣品和所述探針之間的所述力，其中，小于20pN的力可被檢測出，并作為本技術(shù)中所使用的觸發(fā)點。
[0036]根據(jù)本實施方案的另一個方面，所述辨別的步驟包括:基于與所述偏轉(zhuǎn)相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，比較驅(qū)動傾斜和擬合線，并進(jìn)一步包括基于所述比較推算出基線。
[0037]在本實施例中的另一個方面中，重復(fù)所述比較和推算的步驟，從而提供滾動基線直到滿足觸發(fā)閾值。
[0038]以下參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，對于本領(lǐng)域中的普通技術(shù)來說，本發(fā)明的上述及其他目的、特征、和優(yōu)勢將更清楚。然而，應(yīng)理解，雖然詳細(xì)的說明和具體的示例通過附圖方式示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但其并不局限于此。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下， 可進(jìn)行變化和修改，且本發(fā)明將包括所有這些修改。
[0039]附圖簡要說明
[0040]本發(fā)明的優(yōu)選示例性實施例在附圖中被示出，其中相同的參考照符號表示相同的部件，且其中:[〇〇41]圖1A-1E示出SPM的探針，探針與樣品的間隔被調(diào)整方，來使兩者互相接近以及相對于另一個縮回，從而針尖與樣品作用力可被映射；
[0042]圖2是示出經(jīng)圖1A-1E中的操作所獲得的力數(shù)據(jù)的示意圖；
[0043]圖3是對應(yīng)于圖2中示出的力曲線的探針偏轉(zhuǎn)的示意圖，示出偏轉(zhuǎn)偽影；[〇〇44]圖4A是示出由于光學(xué)檢測方式的探針移動，偏轉(zhuǎn)偽影的來源的示圖；
[0045]圖4B是示出由于熱效應(yīng)引起探針偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)偽影的來源的示圖；
[0046]圖4C是示出由于從樣品的光散射，偏轉(zhuǎn)偽影的來源的示圖；[〇〇47]圖5A和5B是分別示出由于不理想以及光學(xué)干涉，偏轉(zhuǎn)偽影的來源的示圖。
[0048]圖6是探針和樣品的間隔與偏轉(zhuǎn)相比較的示圖，示出虛假觸發(fā)；
[0049]圖7-9是偏轉(zhuǎn)與傾斜距離相比較的一系列示意圖，示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例的方法；
[0050]圖10是示出優(yōu)選實施例的方法的流程圖；[〇〇51]圖11是偏轉(zhuǎn)與傾斜距離相比較的示意圖，示出具正基線傾斜的觸發(fā)；[〇〇52]圖12是偏轉(zhuǎn)與傾斜距離相比較的示意圖，示出具負(fù)觸發(fā)閾值(附著)的觸發(fā)；[〇〇53]圖13是偏轉(zhuǎn)與傾斜距離相比較的示意圖，示出具彎曲基線和線性擬合的觸發(fā)； [〇〇54]圖14是偏轉(zhuǎn)與傾斜距離相比較的示意圖，示出具彎曲基線和第二次擬合的觸發(fā)；
[0055]圖15是偏轉(zhuǎn)與傾斜距離相比較的示意圖，示出替代數(shù)據(jù)類型(振幅)的觸發(fā)；[〇〇56]圖16是力與傾斜距離相比較的示意圖，示出雙重觸發(fā)(例如，向前和逆轉(zhuǎn)觸發(fā))；
[0057]圖17是示出使用優(yōu)選的實施例來執(zhí)行對應(yīng)于觸發(fā)的刮痕操作的示意圖；
[0058]圖18是示出被標(biāo)示“現(xiàn)有技術(shù)”的具負(fù)基線斜率的常規(guī)觸發(fā)的示意圖；以及
[0059]圖19是示出通過監(jiān)測針尖和樣品之間的“可觀察交互”，優(yōu)選實施例被實施的示意圖，包括:例如針尖與樣品的交互力。
[0060]優(yōu)選實施例的具體說明
[0061]優(yōu)選實施例采用實時測定變化的基線偏轉(zhuǎn)，以保持所執(zhí)行的力試驗完整性，并實現(xiàn)sub-20pN針尖與樣品交互力的分辨率。當(dāng)數(shù)據(jù)被獲取時，通過使用數(shù)學(xué)擬合來修正用于使探針與樣品產(chǎn)生間隔的傾斜，并推算傾斜來接受偽影偏轉(zhuǎn)，即，實際探針與樣品的交互以外的偏轉(zhuǎn)。[〇〇62]優(yōu)選實施例說明了需解決的偏轉(zhuǎn)偽影問題，其在圖6中被示出。圖6示出測量的偏轉(zhuǎn)與Z中的移動相比較的繪圖70。當(dāng)探針與樣品之間的間隔變窄來響應(yīng)驅(qū)動信號或傾斜時， 最終兩者將相互影響。在這種情況下，示例性的觸發(fā)力被設(shè)置為l〇〇pN。當(dāng)偏轉(zhuǎn)敏感性和彈簧常數(shù)為已知的，那么力和偏轉(zhuǎn)之間的關(guān)系也是如此。偏轉(zhuǎn)敏感性是由光檢測器檢測到的電壓變化，懸臂偏轉(zhuǎn)的單位距離。當(dāng)測量的偏轉(zhuǎn)對應(yīng)于100pN，通常由用戶在啟動測量之前設(shè)置的一些動作被采取(例如，方向改變、傾斜速度增加等)。在該示例中，在傾斜的開始階段，零基線點72處，針尖與樣品相距較遠(yuǎn)，且沒有測量到偏轉(zhuǎn)。由于驅(qū)動使針尖和樣品彼此更接近，雖然兩者不交互但測量到一些偏轉(zhuǎn)。曲線的區(qū)域74中的隨機(jī)偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)示出偏轉(zhuǎn)偽影，且如上所述，可能是由于各種因素(例如，原子力顯微鏡系統(tǒng)的缺陷，例如傾斜運(yùn)動或光干涉等)。[〇〇63]在曲線70的點76處(力F^Z位置Zo)，探針與樣品之間的實際互動開始。在該傾斜的點上，系統(tǒng)應(yīng)識別“零”的偏轉(zhuǎn)點。如上所述，在現(xiàn)有的系統(tǒng)中，該點不能被確切地識別，給出虛假偏轉(zhuǎn)的非恒定性質(zhì)。由于“Z”中的移動不斷使探針與樣品彼此更靠近，由于兩者之間的力增加因此測量的偏轉(zhuǎn)增加。該接觸區(qū)域在區(qū)域78中被識別。僅在曲線的點80處，探針與樣品間隔處(經(jīng)位置Zt被識別)所需的觸發(fā)力Ft，對應(yīng)于針尖與樣品的交互力，相當(dāng)于100pN。 [〇〇64]然而，根據(jù)圖6所示的數(shù)據(jù)，觸發(fā)力閾值在偽影Z位置的Za&被滿足，使測量的對應(yīng)于100pN觸發(fā)的偏轉(zhuǎn)在該點上被實現(xiàn)。虛假偏轉(zhuǎn)使觸發(fā)條件被錯誤地滿足明顯影響實驗。優(yōu)選實施例的一個目的在于克服該限制，允許儀器來接受該虛假偏轉(zhuǎn)并正確地識別所需的觸發(fā)位置，Zt。[〇〇65]現(xiàn)參照圖7-9,示出通過原子力顯微鏡來識別用于指示實際探針與樣品交互力的觸發(fā)點，來執(zhí)行力測量的方法。一般，該方法采用了自適應(yīng)觸發(fā)，通過使用驅(qū)動傾斜開始時所獲得的一部分偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)來不斷地識別瞬時基線，且所述一部分?jǐn)?shù)據(jù)被實時地更新。由于傾斜使探針與樣品(遠(yuǎn)離)接觸，因此偏轉(zhuǎn)偽影由于不依賴實際探針與樣品交互的條件被接受。sub-20pN范圍內(nèi)的力測量(和原子力顯微鏡控制)被實現(xiàn)。[〇〇66]最初，在圖7中，當(dāng)探針與樣品互相分開較大距離(0.5um至lOum)時，傾斜開始且偏轉(zhuǎn)經(jīng)原子力顯微鏡被測量。該較大的間隔可由z-級的已知位置或光學(xué)顯微鏡的幫助被預(yù)先確定。隨著傾斜距離的增大，通過利用特定“擬合長度”的偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，含有較小目標(biāo)傾斜數(shù)據(jù)集的“擬合線”被確定。例如，當(dāng)目標(biāo)傾斜尺寸為具1000數(shù)據(jù)點的lum(每數(shù)據(jù)點lnm)時，由于至樣品的已知距離為至少500nm，因此擬合數(shù)據(jù)的子集可為100數(shù)據(jù)點，經(jīng)用戶可調(diào)整。子集數(shù)據(jù)包含lOOnm數(shù)據(jù)，其中針尖明顯脫離與樣品的短距離交互(短距離交互通常被定義為針尖與樣品距離小于l〇nm)。隨著圖7中的擬合，該初始數(shù)據(jù)集將生成附加的推算數(shù)據(jù)(在示例中每納米數(shù)據(jù)點為120數(shù)據(jù)點)。擬合和推算可以是線性或非線性的。任何越過擬合線在傾斜位置處被檢測的偏轉(zhuǎn)通過推算線被減去。減去后的凈值為真正的偏轉(zhuǎn)，并被用來與預(yù)先定義的觸發(fā)進(jìn)行比較。在圖7中，偽影修正的偏轉(zhuǎn)與目標(biāo)觸發(fā)進(jìn)行了比較。由于其遠(yuǎn)低于目標(biāo)，控制系統(tǒng)現(xiàn)參照圖8。
[0067]由于圖7中觸發(fā)條件在整個數(shù)據(jù)集中沒有被滿足，因此，在圖8中擬合數(shù)據(jù)集由一組新的偏轉(zhuǎn)測量數(shù)據(jù)代替。新的擬合數(shù)據(jù)集重新生成新的一組推算點，從偏轉(zhuǎn)測量數(shù)據(jù)中被減去。該不同的偽影被除去的偏轉(zhuǎn)，再次與預(yù)先定義的觸發(fā)相比較。再次，修正的偏轉(zhuǎn)低于觸發(fā)閾值，因此z-piezo繼續(xù)移動針尖，使其與樣品更接近。當(dāng)傾斜繼續(xù)且足夠長來收集足夠數(shù)量的偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行擬合時，由于傾斜繼續(xù)，因此該擬合和推算過程被繼續(xù)，提供滾動基線(擬合和推算)，從而提供真正的用于力實驗的觸發(fā)閾值的基線比較。在這種情況下，實際探針與樣品交互的偏轉(zhuǎn)在傾斜距離“R”處被感應(yīng)(但如圖所示，在這種情況下，觸發(fā)閾值沒有被滿足)。
[0068]繼續(xù)參照圖9，擬合和推算程序繼續(xù)來更新基線，并確保虛假偏轉(zhuǎn)偽影被接受，且對應(yīng)的影響被最小化，從而保持測量的偏轉(zhuǎn)(D偏轉(zhuǎn)蹤跡)和觸發(fā)閾值之間比較的完整性。如圖9所示，推算被減去的偏轉(zhuǎn)(即偽影修正的偏轉(zhuǎn))等于預(yù)設(shè)的觸發(fā)，滿足觸發(fā)條件，和Z-piezo將針尖從樣品并移去，開始縮回測量。由此，可利用小于20pN甚至小于1pN范圍內(nèi)的觸發(fā)力。此外，在涉及柔弱樣品以及配備有功能化分子的探針針尖(例如針尖與樣品的力太劇烈時，功能化分子可能被丟失)的實驗中特別具有優(yōu)勢。應(yīng)注意，也可采用靜態(tài)閾值(如現(xiàn)有系統(tǒng)中使用的，包括Bruker ‘ 007專利中被提到的一個)來作為“安全觸發(fā)”。雖然是選擇性地，但其優(yōu)選被用來保持系統(tǒng)的完整性(探針等)。
[0069]圖7-9中使用的數(shù)字符號只為示范。Z運(yùn)動的實際測量范圍可以是從10nm至200um;數(shù)據(jù)點或數(shù)據(jù)的子集可以是從10點至1000萬數(shù)據(jù)點，僅被現(xiàn)代數(shù)字處理器的動態(tài)范圍所限制。例如，32位處理器，該數(shù)據(jù)集的上限范圍是4xl09數(shù)據(jù)點。
[0070]圖1O示出對應(yīng)于圖7-9的方法100。最初，傾斜(在Z中，導(dǎo)致探針和樣品互相接近)在步驟102中開始，針尖和樣品互相脫離不接觸。然后方法100在步驟104中，基于所測量的偏轉(zhuǎn)，以預(yù)先設(shè)定的百分比來確定傾斜是否大于對應(yīng)所測量的偏轉(zhuǎn)的基線擬合。
[0071]當(dāng)為“否”(即，擬合線基本上對應(yīng)于傾斜)時，在步驟106中收集基線數(shù)據(jù)。通過基線的檢查(如果虛假偏轉(zhuǎn)的數(shù)量可以接受時)，在步驟108中執(zhí)行比較，以確定是否滿足用戶選擇的觸發(fā)閾值。如果滿足，則在步驟110中停止傾斜，并可根據(jù)用戶實驗，來改變力測量的參數(shù)。如果未達(dá)到閾值，則控制返回至步驟104，以確定傾斜是否繼續(xù)與基于測量的偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)所確定的擬合線相對應(yīng)，并重復(fù)步驟。
[0072]另一方面，在步驟104中，當(dāng)以設(shè)定的百分比，傾斜不對應(yīng)于擬合線時(例如，傾斜大于擬合百分比)，在步驟112中，方法100確定傾斜是否大于擬合線百分比和推算線百分比的組合，所述推算線基于擬合線并從其中延伸。如果不是，在步驟114中，方法100針對當(dāng)前傾斜位置推算固定的基線，如圖7所示。然后在步驟108中，可如上所述比較觸發(fā)閾值。當(dāng)另一方面傾斜不對應(yīng)擬合線百分比和推算百分比時，在步驟116中，方法100執(zhí)行最小平方擬合，優(yōu)選是推算區(qū)域中添加頭數(shù)據(jù)并去除尾數(shù)據(jù)。步驟108中，該操作允許方法100在比較觸發(fā)閾值之前針對當(dāng)前傾斜Z位置推算滾動基線。
[0073]總之，通過采用常規(guī)數(shù)學(xué)擬合(線性，二階等)與推算基線的組合，優(yōu)選實施例能夠在本質(zhì)上實時跟蹤真正的基線，從而辨別虛假偏轉(zhuǎn)偽影。圖11-14示出虛假偏轉(zhuǎn)偽影如何在不同情況下被修正。圖11示出具正基線斜率的觸發(fā)。圖12示出具負(fù)基線斜率的觸發(fā)，例如在粘附過程中。圖13示出當(dāng)基線彎曲時的觸發(fā)。在這種情況下，使用線性擬合，向前或逆轉(zhuǎn)觸發(fā)。在這方面，可在優(yōu)選實施例的環(huán)境中使用一些替代，包括使用不同的數(shù)據(jù)類型，例如觸發(fā)振幅，以及其他類型的傾斜，例如針尖偏置、樣品偏置、振幅、頻率等。
[0074]通過精確測定實際針尖與樣品交互力在sub-20pN范圍內(nèi)，各種力譜實驗可采用該優(yōu)選實施例。例如，如圖15所示，可采用正負(fù)觸發(fā)(在這種情況下觸發(fā)振幅數(shù)據(jù))。在圖16中，采用了雙重觸發(fā)，其可在用于測量分子時被使用。向前觸發(fā)被用來確定探針與樣品之間的最大力以及伸縮回探針時的逆轉(zhuǎn)觸發(fā)(或樣品)，例如，在分子隨展開延伸時。特別是，在圖16中，虛線曲線為朝向接觸的傾斜，且實線曲線為原子力顯微鏡遠(yuǎn)離針尖樣品接觸的傾斜。如果不執(zhí)行在此所述的修正來不斷更新基線，測量則可能被突變性地放棄。
[0075]在圖17中，示出一系列的偏轉(zhuǎn)示圖(圖17A)，對應(yīng)的Z位置(圖17B)和相關(guān)的探針與樣品之間的橫向移動(圖17B，示出這種情況下的“X”)，在滿足觸發(fā)條件時執(zhí)進(jìn)常規(guī)的“刮痕”實驗(例如，適合所需刮痕的針尖與樣品交互力)。更具體地說，與常規(guī)的力曲線(如圖17(a)的實線曲線)不同，探針接近樣品，并立即從其中縮回，在這種情況下，針尖接近樣品，并在其從中縮回之前(點線)停留在樣品上一段時間。對應(yīng)的Z位置在圖17(b)中被示出。如圖17(c)所示，在接近(區(qū)域120)和收縮(區(qū)域124)時段期間，探針不以X方向移動。但是，當(dāng)針尖位于樣品之上具有控制的觸發(fā)力(區(qū)域122)時，針尖以X方向移動，導(dǎo)致樣品上的“刮痕”操作，具控制的觸發(fā)力?；谠恿︼@微鏡的刮痕納米刻蝕的示例在納米研究報告2011,6
(I):518中被說明，其內(nèi)容為使用具金剛石碳(DLC)涂層的硅探針原子力顯微鏡，在硅表面上納米圖案化。
[0076]應(yīng)注意，進(jìn)一步涉及針尖與樣品交互(上述力之外)相關(guān)的“可觀察交互“的選擇性實施并在圖19中被示出。例如，可觀察交互可包括以下組中的至少一個:力、偏轉(zhuǎn)、電交互(例如，力、電流、電壓)、磁交互、熱交互、以及電磁交互，包括散射近場光信號。此外，雖然“傾斜距離”在此被說明作為Z位置，但也可采用其他可控參數(shù)，例如，針尖偏置、樣品偏置、頻率、振幅等。
[0077]雖然
【發(fā)明人】通過最優(yōu)選的實施例說明了本本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于此。明顯地，在不脫離本發(fā)明概念的精神和范圍的前提下，可對本發(fā)明的特征進(jìn)行各種增加、修改、和重配置。例如，雖然在此所述的曲線擬合和推算方法是優(yōu)選的，但選擇性地，系統(tǒng)可涉及，例如a)算出間隔偏轉(zhuǎn)點的平均值，用來與推算值進(jìn)行比較，或b)數(shù)據(jù)曲線的不同部分的斜率被計算，以及斜率比被計算，用來與預(yù)設(shè)的觸發(fā)進(jìn)行比較。
【主權(quán)項】
1.一種檢測樣品和原子力顯微鏡的探針之間的力的方法，所述方法包括以下步驟: 在所述樣品的興趣位置處定位所述探針和所述樣品中的至少一個； 移動所述探針和所述樣品中的至少一個來減少其之間的間隔并使所述探針和所述樣品交互； 基于所述移動的步驟測量所述探針的偏轉(zhuǎn)； 從所述測量的偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)中辨別經(jīng)探針與樣品交互產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)和偏轉(zhuǎn)偽影，來導(dǎo)出無偽影偏轉(zhuǎn)，并將其與預(yù)先定義的觸發(fā)力進(jìn)行比較； 當(dāng)所述無偽影偏轉(zhuǎn)對應(yīng)于所述觸發(fā)力時從所述樣品縮回所述探針;和 確定所述樣品和所述探針之間的所述力，其中，所述力小于20pN。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，進(jìn)一步包括以下步驟: 使用所述力作為觸發(fā)，來改變與所述移動的步驟相關(guān)的參數(shù)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述參數(shù)為速度、方向、和力梯度中的至少一個。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述辨別的步驟包括:基于與所述偏轉(zhuǎn)相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，比較驅(qū)動傾斜和擬合線，并進(jìn)一步包括基于所述比較，推算出基線。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述擬合線通過執(zhí)行最小平方擬合被確定。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟:重復(fù)所述比較和推算的步驟，從而提供滾動基線直到滿足觸發(fā)閾值。7.—種檢測樣品和原子力顯微鏡的探針之間的力的方法，所述方法包括以下步驟: 在所述樣品的興趣位置處定位所述探針和所述樣品中的至少一個； 移動所述探針和所述樣品中的至少一個來減少其之間的間隔并使所述探針和所述樣品交互； 基于所述移動的步驟測量所述探針的偏轉(zhuǎn)； 使用所述測量的偏轉(zhuǎn)，在所述移動的步驟期間實時地來確定瞬時基線。8.—種檢測樣品和原子力顯微鏡的探針之間的可觀察交互的方法，所述方法包括以下步驟: 在所述樣品的興趣位置處定位所述探針和所述樣品中的至少一個； 移動所述探針和所述樣品中的至少一個來減少其之間的間隔，并使所述探針和所述樣品交互； 基于所述移動的步驟測量可觀察交互； 從所述測量的可觀察交互數(shù)據(jù)中辨別出經(jīng)實際探針與樣品交互所產(chǎn)生的可觀察交互偽影和可觀察交互，來導(dǎo)出無偽影可觀察交互，并將其與觸發(fā)進(jìn)行比較； 當(dāng)所述無偽影可觀察交互對應(yīng)于所述觸發(fā)時，從所述樣品縮回所述探針。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述可觀察交互包括以下組中的至少一個:力;偏轉(zhuǎn);類似力、電流、電壓的電交互;磁交互;熱交互;和類似散射近場光信號的電磁交互。
【文檔編號】G01Q30/00GK106030316SQ201480075041
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2014年12月8日
【發(fā)明人】劉長春, B·皮騰杰, 胡水清, 蘇全民
【申請人】布魯克公司