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負(fù)剛度隔振平臺在原子力顯微鏡中的應(yīng)用

更新時間:2025-04-07 點擊次數(shù):258

負(fù)剛度隔振平臺在原子力顯微鏡中的應(yīng)用

原子力顯微鏡(AFM)已成為在納米尺度上對材料和細(xì)胞進(jìn)行成像與測量的重要工具之一。原子力顯微鏡能夠揭示原子級別的樣品細(xì)節(jié),分辨率可達(dá)幾分之一納米量級,它有助于多種應(yīng)用的成像,例如確定各種表面的表面特性、光刻、數(shù)據(jù)存儲以及原子和納米級結(jié)構(gòu)的操作。


原子力顯微鏡在研究中的應(yīng)用


盡管原子力顯微鏡技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步,但對于需要使用它的研究人員來說,并不總是能夠輕易受益。而且在納米技術(shù)專業(yè)的學(xué)生實驗室中,原子力顯微鏡的使用也不夠普及,這是因為學(xué)生操作技能的缺乏,以及可使用的原子力顯微鏡數(shù)量受預(yù)算限制。


由于出現(xiàn)了更緊湊、便攜且用戶友好型的原子力顯微鏡,其可快速安裝且便于運(yùn)輸,非常適合大學(xué)多用途課程應(yīng)用和短期實驗室教學(xué)課程,這使得原子力顯微鏡的可獲取性得到了改善。


威斯康星大學(xué)河瀑分校zui近將這樣一臺用戶友好型的原子力顯微鏡投入使用,用于凝聚態(tài)物理研究。這個面向本科生的實驗課程包括使用原子力顯微鏡檢查通過熱蒸發(fā)和光刻圖案化的金屬薄膜。


學(xué)生們使用原子力顯微鏡來查看制成后的圖案化薄膜的表面質(zhì)量,確保圖案正確,測量薄膜的輪廓和表面粗糙度,并檢查圖案邊緣光刻的完整性。


實驗室的學(xué)生還可以使用掃描電子顯微鏡(SEM)制作圖案化薄膜,然后用原子力顯微鏡檢查其質(zhì)量。利用電子束光刻技術(shù),掃描電子顯微鏡將一束電子在薄膜表面進(jìn)行光柵掃描,從而在薄膜上形成特征。在這個過程中,將聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜涂覆在一個表面上,然后引導(dǎo)電子束在樣品上掃描,使特定區(qū)域的PMMA曝光。


之后對薄膜進(jìn)行顯影,去除曝光的PMMA,從而在薄膜上留下圖案。這些圖案的特征尺寸可小至100納米。掃描電子顯微鏡本身的Max照相放大倍數(shù)為300,000倍,能夠看到小至3納米的特征。


振動挑戰(zhàn)


掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡系統(tǒng)極易受到來自環(huán)境的振動影響。隨著分辨率不斷從微米級跨越到納米級,像這樣的顯微鏡工具對更精確的隔振需求變得愈發(fā)關(guān)鍵。當(dāng)測量幾?;驇准{米的位移時,必須為儀器建立一個絕對穩(wěn)定的表面。


振動可以通過地板傳遞到原子力顯微鏡,不僅來自建筑物內(nèi)的泵和電機(jī),還來自電梯、暖通空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)、外部車輛交通的移動,以及為顯微鏡提供支撐的輔助設(shè)備。垂直和水平方向的振動都會對所觀察圖像的質(zhì)量和分辨率產(chǎn)生負(fù)面影響。原子力顯微鏡對低頻振動(幾赫茲范圍內(nèi))非常敏感,這些振動很難消除。


“我們嘗試了多種減輕原子力顯微鏡振動的方法,包括使用小型空氣隔振臺,但這并沒有解決問題,"麥肯說道。“就在去年,我們物理系使用了Minus k技術(shù)公司的負(fù)剛度隔振器。從那以后,我們原子力顯微鏡的所有振動問題都得到了解決。"


負(fù)剛度隔振平臺在AFM中應(yīng)用實例


Park Systems XE-70 AFM on a Minus K BM-10  


Nano Magnetics Easy AFM on a Minus K LC-4U


Nanosurf Easyscan2 AFM on a Minus K BM-10


Zeiss Axio Obersver Z1 AFM on a Minus K BM-8


總結(jié)


由Minus K技術(shù)公司開發(fā)的負(fù)剛度隔振器為原子力顯微鏡性能領(lǐng)域提供了一種能力。它們在隔振方面采用了被動的機(jī)械原理,不需要空氣或電力。沒有電子元件、電機(jī)或泵。它們以被動機(jī)械模式運(yùn)行,同時在多個方向上實現(xiàn)了高度的隔振。


“垂直運(yùn)動隔振是由一個支撐重量負(fù)載的剛性彈簧與一個負(fù)剛度機(jī)制相結(jié)合來實現(xiàn)的,"Minus K公司工程副總裁埃里克·朗格說?!霸诓挥绊憦椈伸o態(tài)負(fù)載支撐能力的情況下,使凈垂直剛度變得非常低。與垂直運(yùn)動隔振器串聯(lián)連接的梁柱提供水平運(yùn)動隔振。梁柱的作用類似于一個彈簧與一個負(fù)剛度機(jī)制相結(jié)合。其結(jié)果是得到了一個緊湊的被動隔振器,它能夠?qū)崿F(xiàn)非常低的垂直和水平固有頻率以及較高的內(nèi)部結(jié)構(gòu)頻率。"


正如新型原子力顯微鏡是為適應(yīng)性而設(shè)計的一樣,更好的隔振解決方案也可用于支持這些原子力顯微鏡。負(fù)剛度隔振使得任何實驗室環(huán)境都適合取得優(yōu)異的原子力顯微鏡檢測結(jié)果。



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