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(xué)中最重要的工具之一,用于機(jī)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?fàn)柎髮W(xué)正在對這些復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)和簡化,以拓展原子力顯微鏡在全球?qū)嶒?yàn)室的廣泛應(yīng)用。在這項(xiàng)研究中,一款高精度的8通道Spectrum digitizerNETBOX推動了AFM項(xiàng)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?yàn)室研究表面化學(xué)的重要工具。AFM的分辨率是傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的1000倍,其卓越的分辨率能夠顯示更多的細(xì)節(jié)。與電子顯微鏡和其它先進(jìn)的系統(tǒng)不同,AFM不僅能夠進(jìn)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(jié)構(gòu)和各種其它材料的研究。

紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)對AFM系統(tǒng)的關(guān)鍵元素進(jìn)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(xué)電氣工程和計(jì)算機(jī)學(xué)院的精密機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室匯集了納米技術(shù)、機(jī)電一體化、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和低噪聲電子設(shè)計(jì)方面的專業(yè)知識,并創(chuàng)造了用于簡化AFM復(fù)雜性和降低成本的獨(dú)特解決方案。

傳統(tǒng)多頻原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)的原理圖:當(dāng)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?fù)涓叨茸兓?進(jìn)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(xué)性能提供“物理鏈路”。盡管懸臂微加工技術(shù)多年來不斷改進(jìn),其整體的設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)偏轉(zhuǎn)傳感器。對于多頻率的AFM技術(shù)發(fā)展趨勢而言,這兩種組件的表現(xiàn)都不理想,因?yàn)槎囝l率AFM技術(shù)的成像信息還可以擴(kuò)展到樣品硬度、彈性和粘附性等在內(nèi)的一系列納米力學(xué)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(jié)構(gòu)模式、縮小比例、單片機(jī)AFM、并行懸臂陣列以及無光波干涉。

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(shè)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(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)任意共振頻率布局并能夠集成強(qiáng)大的多模式Q控制。在與德克薩斯大學(xué)達(dá)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(jī)電系統(tǒng)AFM,其特點(diǎn)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(fù)雜性以及擴(kuò)大產(chǎn)品應(yīng)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(shè)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(shè)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(shí)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(jī)連接。

研究人員Michael Ruppert博士表示:“digitizerNETBOX是精密機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室的重要測量工具。這款設(shè)備能夠在多個集成傳感器領(lǐng)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?！?/p>

關(guān)于Spectrum儀器

Spectrum儀器成立于1989年,迄今為止設(shè)計(jì)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(dú)立以太網(wǎng)設(shè)備(LXI)。在過去30年間,Spectrum獲得了業(yè)界的廣泛認(rèn)可,旗下產(chǎn)品也被用于行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)及一流大學(xué)的眾多產(chǎn)品和科研項(xiàng)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(shù)能力和優(yōu)質(zhì)的客戶服務(wù)享譽(yù)全球。

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