德國漢斯多爾夫,2021年3月2日訊——原子力顯微鏡(AFM)是材料科學中最重要的工具之一,用于機械掃描表面形貌。AFM能夠測算納米探針和原子表面的相互作用力,分辨率僅為幾分之一納米。目前,澳大利亞紐卡斯爾大學正在對這些復雜的設備進行改進和簡化,以拓展原子力顯微鏡在全球?qū)嶒炇业膹V泛應用。在這項研究中,一款高精度的8通道Spectrum digitizerNETBOX推動了AFM項目的發(fā)展。

首臺原子力顯微鏡(AFM)于1985年研發(fā)成功,此后便成為全球?qū)嶒炇已芯勘砻婊瘜W的重要工具。AFM的分辨率是傳統(tǒng)光學顯微鏡的1000倍,其卓越的分辨率能夠顯示更多的細節(jié)。與電子顯微鏡和其它先進的系統(tǒng)不同,AFM不僅能夠進行原位成像,還擁有形貌成像和力測量的功能,使其非常適合軟生物材料、聚合物、納米結構和各種其它材料的研究。

Ruppert博士改良的懸臂

紐卡斯爾大學對AFM系統(tǒng)的關鍵元素進行了研究,旨在簡化操作的同時,提升這些顯微鏡的整體性能。該大學電氣工程和計算機學院的精密機電一體化實驗室匯集了納米技術、機電一體化、微機電系統(tǒng)(MEMS)和低噪聲電子設計方面的專業(yè)知識,并創(chuàng)造了用于簡化AFM復雜性和降低成本的獨特解決方案。

傳統(tǒng)多頻原子力顯微鏡實驗的原理圖:當納米定位器掃描樣品時,懸臂在多個共振頻率下同時振動

AFM通常通過懸臂或探針掃描樣品表面生成形貌圖像。隨后,通過激光束和位敏光電二極管探測器來確定懸臂偏轉(zhuǎn)的微小變化。通過采集和分析探測器發(fā)出的信號來確定樣品表面的拓撲高度變化,進而創(chuàng)建三維形貌。

該儀器的核心是一個微懸臂,與樣品相互作用并為測量納米力學性能提供“物理鏈路”。盡管懸臂微加工技術多年來不斷改進,其整體的設計并未發(fā)生太大變化,因此,被動式矩形懸臂現(xiàn)已被業(yè)界作為標準廣泛使用。傳統(tǒng)的懸臂式儀器需要外部的壓電聲傳感器和外部的光學偏轉(zhuǎn)傳感器。對于多頻率的AFM技術發(fā)展趨勢而言,這兩種組件的表現(xiàn)都不理想,因為多頻率AFM技術的成像信息還可以擴展到樣品硬度、彈性和粘附性等在內(nèi)的一系列納米力學性能。相比之下,活躍的懸臂與芯片級集成驅(qū)動和傳感器提供了很多傳統(tǒng)懸臂所不具備的優(yōu)勢,其中包括沒有安裝系統(tǒng)的結構模式、縮小比例、單片機AFM、并行懸臂陣列以及無光波干涉。

Michael Ruppert博士正在對原子力顯微鏡中的自定義懸臂進行改良

Ruppert博士及其同事近期發(fā)表了多篇論文,提出了用于提升AFM性能、簡化操作以及降低設備成本的集成懸臂解決方案。論文討論的主題包括優(yōu)化偏轉(zhuǎn)靈敏度的創(chuàng)新懸臂設計,實現(xiàn)任意共振頻率布局并能夠集成強大的多模式Q控制。在與德克薩斯大學達拉斯分校的合作中,Ruppert博士還聯(lián)合開發(fā)了首個硅絕緣體、單芯片的微機電系統(tǒng)AFM,其特點是將平面靜電激發(fā)器與電熱傳感器整合,以及將用于面外驅(qū)動的AIN壓電層與偏轉(zhuǎn)傳感整合。該方法對于顯著降低AFM成本,簡化操作復雜性以及擴大產(chǎn)品應用范圍方面顯示出了巨大的潛力。

該類型的研究依賴于高精度的測量設備從集成的微懸臂中獲取和分析傳感器信號。通過確定振幅噪聲頻譜密度,可以得到懸臂系統(tǒng)諧振時的熱噪聲、懸臂跟蹤帶寬和儀器的電子噪聲底值等重要參數(shù)。為此,研究小組使用了Spectrum 儀器公司生產(chǎn)的DN2.593-08 digitizerNETBOX型號。該設備有8個完全同步的數(shù)字化通道,每個通道都能以16位分辨率和40MS/s的速率采樣信號。為了實現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)傳輸,digtizerNETBOX還通過一個簡單的Gbit以太網(wǎng)連線與主機連接。

DN2.593-08 digtizerNETBOX能夠在40MS/s和16位分辨率下實現(xiàn)8個同步通道的采樣

研究人員Michael Ruppert博士表示:“digitizerNETBOX是精密機電一體化實驗室的重要測量工具。這款設備能夠在多個集成傳感器領域的低噪聲測試下同時產(chǎn)生高分辨率,以滿足我們系統(tǒng)性能的需求。”

關于Spectrum儀器

Spectrum儀器成立于1989年,迄今為止設計和研發(fā)了多款模塊化數(shù)字化儀及發(fā)生器產(chǎn)品,其中包括PC卡(PCIe和PXIe)以及獨立以太網(wǎng)設備(LXI)。在過去30年間,Spectrum獲得了業(yè)界的廣泛認可,旗下產(chǎn)品也被用于行業(yè)領軍企業(yè)及一流大學的眾多產(chǎn)品和科研項目中。Spectrum儀器總部位于德國漢堡附近的漢斯多爾夫,憑借卓越的技術能力和優(yōu)質(zhì)的客戶服務享譽全球。更多信息請訪問官網(wǎng)www.spectrum-instrumentation.com。