一种用于极性基团取向及演化的纳米红外测量方法及装置

本发明涉及纳米机械测量和光谱测量，尤其涉及一种用于极性基团取向及演化的纳米红外测量方法及装置。

背景技术：

1、原子力显微镜红外光谱技术是近年来发展的表征材料表面红外吸收的新手段。其通过原子力显微镜与红外光谱结合的方式，能够实现纳米级化学信息的测量。红外光谱是分析有机物质的有力手段。不同结构、不同组成的化学基团具有不同的光谱吸收带。在有机物中，其光谱吸收在红外波段更为丰富，能够通过不同的红外吸收峰区分不同的化学基团。这种独特的特性使得红外光谱能够识别未知的材料，并根据化学特异性锁定某一基团。然而，传统的红外光谱受到衍射极限的影响，由于红外光的波长在微米级别，因此空间分辨率也被限制在微米尺度。原子力显微镜红外光谱技术则通过原子力探针与红外光谱结合的方式，实现纳米尺度的红外光谱测量。

2、现有原子力显微镜红外光谱技术表征样品取向信息依赖红外吸收的偏振依赖特性。在线偏振光源下，化学基团的跃迁偶极矩取向与线偏振光的电场矢量取向越发重合，则该化学基团的红外吸收越强烈。现有技术只能区分化学基团的取向是否沿偏振光方向。而对于跃迁偶极正平行和反平行于光电场矢量方向的情况，其红外吸收强度一致，仅从吸收强度上无法区分。另外，在现有的原子力显微镜红外光谱技术中，驱动并观察化学基团动态演化的信息并不能很好的实现。由于缺乏驱动样品发生演化并同步分析探针响应的外场加载的方法和配置，对于需要观察动态演化的样品，当前只能通过改变探针对样品施加的作用力来驱动样品发生动态演化。然而，力学加载的方式并不完全适用。在标准实施中，探针与样品接触作用力的改变本身会影响探针悬臂梁偏转信号的灵敏度。另外，通过力学加载诱导演化的方式其只有单方向的力加载，无法实现拉伸力的加载。对于某些样品而言，其对力学的响应并不敏感，无法诱导相应的演化。如观察其铁电的动态演化与化学组分相关性可能特别具有挑战性。在这类样品中，力学加载可能只能诱导样品往一个方向发生的动态演化，而不能像电场一样诱导双向的动态演化信息。

3、基于外场加载的其他显微表征技术也可以来观察样品的动态演化，例如压电力显微镜技术、傅里叶变化红外光谱技术、透射电子显微镜技术，但这些技术并不能实现纳米尺度下样品动态演化的化学关联性测量。在标准实施中，压电力显微镜技术能够表征样品的极性取向及在电场下的演化信息。典型地，其通过在电压驱动下的探针振动相位指示样品极性的取向信息。但其获得的为样品宏观极性取向，无法依据特定波长的选择获取特定化学基团的极性取向信息，更加无法观察在电压驱动下特定化学极性基团的演化信息。而傅里叶变化红外光谱技术主要依赖的是远场光谱测量，受衍射极限的影响无法提供纳米尺度样本的信息。透射电子显微镜技术能够在原子级别分析样品的化学组分以及推断极性取向信息。但在标准实施中，其制样过程通常包括对样品的减薄、破坏等处理，相比原子力显微镜表征技术适用性较低。

4、在纳米红外技术中，以原子力显微镜红外光谱技术为代表，通常不配备外场加载的设置，并且未有系统的原子力显微镜红外光谱下进行电压加载的分析方法。而在极性表征中，以压电力显微镜技术为代表，虽然具有纳米尺度的极性取向及极性翻转的测量能力，但单纯使用电压的方式使得在测量的同时无法对其成分进行红外表征。因此，现有技术存在纳米红外表征与极性取向演化表征不可兼得的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明的目标是提供一种用于极性基团取向及演化的纳米红外测量方法及装置，能够在纳米尺度上进行样本的化学基团取向及动态演化分析测量。

2、本发明所采用的第一技术方案是：一种用于极性基团取向及演化的纳米红外测量方法，包括以下步骤：

3、利用控制电路使探针尖端与样品接触，并维持稳定状态；

4、基于激励脉冲照射样本表面，使样品和探针处于调谐共振状态，得到第一振幅响应信号；

5、基于信号发生器产生满足极性基团取向测量条件的第一电压信号，并通过探针和所述激励脉冲共同作用在样品上，得到第二振幅响应信号；

6、基于所述第二振幅响应信号和所述第一电压信号的相位方向确定样品的极性基团取向；

7、基于信号发生器产生特定波形的可变幅值的第二电压信号，并通过探针和所述激励脉冲共同作用在样品上，得到第三振幅响应信号；

8、基于所述第三振幅响应信号和所述第二电压信号确定样品的极性基团演化结果。

9、进一步，所述极性基团取向测量条件，其具体包括：

10、电压信号的频率满足样品建立稳定极化和光热振幅的条件；

11、电压信号的幅值低于样品的极性翻转电压。

12、进一步，所述基于所述第二振幅响应信号和所述第一电压信号的相位方向确定样品的极性基团取向这一步骤，其具体包括：

13、基于所述第一电压信号对所述第二振幅响应信号进行解调，得到相位差值；

14、基于所述相位差值确定样品的极性基团取向。

15、进一步，所述基于所述相位差值确定样品的极性基团取向这一步骤，其具体包括：

16、若所述相位差值为0，则样品的极性基团取向朝下；

17、若所述相位差值为π，则样品的极性基团取向朝上。

18、本发明所采用的第二技术方案是：一种用于极性基团取向及演化的纳米红外测量装置，包括信号发生模块和信号处理模块，其中：

19、所述信号发生模块包括探针柄端、探针尖端、样品平台、探针悬臂梁、反射光束、四象限光电检测器、发射源、扫描器、脉冲激励光源、激励光束、晶体振荡器、光学器件和信号发生器；

20、所述信号处理模块包括第一处理器、第二处理器、第一比较电路、第二比较电路、第一pid增益控制电路和第二pid增益控制电路。

21、进一步，所述第一处理器和所述第二处理器包括锁相放大器和数据采集模块。

22、进一步，所述第一处理器用于对偏转检测器的电信号进行滤波、解调处理，得到第一输出的振幅、相位信息；所述第二处理器用于对第一输出的振幅信息进行滤波、解调处理，得到第二输出的振幅、相位信息；所述第一比较电路用于对低频探针偏转和偏转设定值进行比较，得到第一误差；所述、第二比较电路用于对探针振动相位和相位设定值进行比较，得到第二误差；所述第一pid增益控制电路用于根据第一误差调整扫描器的z轴方向伸缩量；所述第二pid增益控制电路用于根据第二误差调整晶体振荡器频率。

23、本发明方法及装置的有益效果是：本发明利用信号发生器对样品施加电场调控的同时利用脉冲激励光源对样品施加红外激励信号，能够诱导样品发生演化，并通过探针的响应信号将样品的极性基团演化结果反馈出来，演化类型包括铁电极性演化、分子重新定向排列和演化的化学关联性；另外在施加低幅度交流电压作用于样品时，观察样品的红外吸收演化，能够分析有机极性基团的取向，实现在纳米尺度上进行样本的化学基团取向及动态演化分析测量。

24、附图说明

25、图1是本发明一种用于极性基团取向及演化的纳米红外测量方法的步骤流程示意图；

26、图2是本发明一种用于极性基团取向及演化的纳米红外测量装置的示意图；

27、图3是根据振幅变化判断极性取向变化的原理示意图；

28、图4是本发明一种用于极性基团取向及演化的纳米红外测量装置的实施流程图；

29、图5是调谐共振状态下探针振幅和相位与解调器晶振频率的关系曲线图；

30、图6是极性基团取向不同时在交流电压作用下的探针振幅变化情况示意图；

31、图7是压电力显微镜技术表征宏观极性方向的成像结果图；

32、图8是现有原子力显微镜红外光谱技术表征极性基团方向的成像结果图；

33、图9是本发明一种用于极性基团取向及演化的纳米红外测量方法表征极性基团方向的成像结果图；

34、图10是探针振幅和所施加的电压信号跟时间的关系的曲线图；

35、图11是具体实施例中聚偏二氟乙烯极性基团演化过程示意图；

36、图12是本发明具体实施例采用的电压调制信号；

37、图13是在不同波长作用下红外吸收与电压的关系的曲线图；