原子力顯微鏡（AFM）是材料科學(xué)中的重要工具,，用于表面的機(jī)械掃描。測(cè)量并計(jì)算在表面的原子與納米針的尖端之間的作用力，并給出納米級(jí)分?jǐn)?shù)的分辨率?，F(xiàn)在，澳大利亞紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)正在改進(jìn)和簡(jiǎn)化這些復(fù)雜的機(jī)器,，以便在全世界的實(shí)驗(yàn)室中得到更廣泛的應(yīng)用,。 在這項(xiàng)復(fù)雜的研究中，一個(gè)8通的道Spectrum NETBOX數(shù)字化儀提供了推動(dòng)原子力顯微鏡（AFM）演進(jìn)所需的高精度,。
Ruppert博士改進(jìn)后的懸臂
原子力顯微鏡（AFM）發(fā)明于1985年,，已成為全世界從事表面化學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)室使用的重要工具。其出色的分辨率意味著該儀器可以比傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡顯示更多的細(xì)節(jié),，是傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的1000多倍,。而且，與電子顯微鏡等其他高級(jí)系統(tǒng)不同,，它可以對(duì)樣品進(jìn)行原位成像,。再加上能夠進(jìn)行地形成像和力的測(cè)量，使得AFM非常適合研究軟生物材料,，聚合物,，納米結(jié)構(gòu)和其他各種材料,。
在紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)，Michael Ruppert博士和他的團(tuán)隊(duì)正在改進(jìn)AFM系統(tǒng)的關(guān)鍵要素,。目的是簡(jiǎn)化操作以及提高這些顯微鏡的整體性能,。該大學(xué)電氣工程與計(jì)算機(jī)學(xué)院的精密機(jī)電實(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)等方面的專業(yè)知識(shí),，創(chuàng)造出獨(dú)特的解決方案，可以降低AFM的系統(tǒng)復(fù)雜性和成本,。
原子力顯微鏡（AFM）通常通過在樣品表面上掃描懸臂/尖端創(chuàng)建地形圖,。然后用激光束和對(duì)位置敏感的光電二極管檢測(cè)器來確定懸臂偏轉(zhuǎn)的微小變化。需要采集和分析來自檢測(cè)器的信號(hào),，以確定樣品表面上任何拓?fù)涓叨鹊淖兓?，?chuàng)建三維拓?fù)洹?
傳統(tǒng)的多頻原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)的示意圖設(shè)置。當(dāng)納米定位器在樣品上掃描懸臂時(shí),，懸臂同時(shí)以多個(gè)共振頻率振動(dòng)
儀器的核心是一個(gè)微懸臂,，它與樣品相互作用，為測(cè)量納米力學(xué)性能提供“物理鏈接”,。盡管多年來懸臂式微細(xì)加工技術(shù)不斷進(jìn)步,，但整體設(shè)計(jì)基本沒有變化；無源矩形懸臂已被采用為業(yè)界廣泛的標(biāo)準(zhǔn),。因此,，傳統(tǒng)的懸臂儀器需要外置壓電聲激勵(lì)以及外置光學(xué)偏轉(zhuǎn)傳感器。這兩種組件都不是多頻AFM技術(shù)趨勢(shì)的最佳選擇,，因?yàn)锳FM可以將成像信息擴(kuò)展到拓?fù)湟酝獾囊幌盗屑{米機(jī)械性能,，包括樣品剛度，彈性和粘附性,。相比之下,，在芯片級(jí)集成了激勵(lì)和感測(cè)功能的有源懸臂提供了優(yōu)于常規(guī)懸臂的多個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，包括不存在安裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式,，可縮小規(guī)模,，單芯片AFM實(shí)現(xiàn)，與懸臂陣列并行化等優(yōu)點(diǎn),，以及沒有光學(xué)干擾,。
Ruppert博士和他的同事最近發(fā)表了一些論文，提出了新穎的集成懸臂設(shè)計(jì),，以改善原子力顯微鏡（AFM）的性能，簡(jiǎn)化操作并大幅減少占地面積和設(shè)備成本,。這些論文討論的主題包括創(chuàng)新的懸臂設(shè)計(jì),，以優(yōu)化偏轉(zhuǎn)靈敏度,，實(shí)現(xiàn)共振頻率的任意放置，并允許集成的魯棒多模Q控制,。Ruppert博士還與德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校合作,，共同開發(fā)了首款硅絕緣體上的單芯片MEMS原子力顯微鏡，其特點(diǎn)是集成了平面內(nèi)靜電致動(dòng)器和電熱傳感器,，以及用于平面外致動(dòng)和集成偏轉(zhuǎn)傳感的AlN壓電層,。這種方法有可能大大降低AFM的成本和復(fù)雜性，并將其實(shí)用性擴(kuò)展到目前的應(yīng)用之外,。
Michael Ruppert博士在改良的原子力顯微鏡中對(duì)準(zhǔn)了定制的有源懸臂
為了進(jìn)行這類研究,，必須要有高精度的測(cè)量設(shè)備，以便采集和分析這些集成微懸臂的傳感器信號(hào),。通過確定振幅噪聲譜密度,，可以得到懸臂系統(tǒng)的重要參數(shù)，包括共振時(shí)的熱噪聲,、懸臂跟蹤帶寬和儀器的電子噪聲底限,。為此，研究組采用了Spectrum的NETBOX數(shù)字化儀DN2.593-08,。該數(shù)字化儀有8個(gè)完全同步的數(shù)字化通道,，每個(gè)通道能夠以高達(dá)40MS/s的速率，16位分辨率采樣信號(hào),。為了控制和數(shù)據(jù)傳輸,， NETBOX數(shù)字化儀通過簡(jiǎn)單的Gbit以太網(wǎng)電纜連接到主機(jī)。
NETBOX數(shù)字化儀
研究員Michael Ruppert博士說：“擁有像NETBOX數(shù)字化儀這樣的測(cè)量工具對(duì)于我們?cè)诰軝C(jī)電實(shí)驗(yàn)室的工作至關(guān)重要,。該設(shè)備使我們能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)集成傳感器區(qū)域進(jìn)行高分辨率,，低噪聲的測(cè)量，以便正確地表征我們系統(tǒng)的性能,。”
