原子力显微镜(AFM)是材料科学中最重要的工具之一,用于机械扫描表面形貌。AFM能够测算纳米探针和原子表面的相互作用力,分辨率仅为几分之一纳米。目前,澳大利亚纽卡斯尔大学正在对这些复杂的设备进行改进和简化,以拓展原子力显微镜在全球实验室的广泛应用。在这项研究中,一款高精度的8通道Spectrum digitizerNETBOX推动了AFM项目的发展。

首台原子力显微镜(AFM)于1985年研发成功,此后便成为全球实验室研究表面化学的重要工具。AFM的分辨率是传统光学显微镜的1000倍,其卓越的分辨率能够显示更多的细节。与电子显微镜和其它先进的系统不同,AFM不仅能够进行原位成像,还拥有形貌成像和力测量的功能,使其非常适合软生物材料、聚合物、纳米结构和各种其它材料的研究。

Ruppert博士改良的悬臂

纽卡斯尔大学对AFM系统的关键元素进行了研究,旨在简化操作的同时,提升这些显微镜的整体性能。该大学电气工程和计算机学院的精密机电一体化实验室汇集了纳米技术、机电一体化、微机电系统(MEMS)和低噪声电子设计方面的专业知识,并创造了用于简化AFM复杂性和降低成本的独特解决方案。

传统多频原子力显微镜实验的原理图:当纳米定位器扫描样品时,悬臂在多个共振频率下同时振动

AFM通常通过悬臂或探针扫描样品表面生成形貌图像。随后,通过激光束和位敏光电二极管探测器来确定悬臂偏转的微小变化。通过采集和分析探测器发出的信号来确定样品表面的拓扑高度变化,进而创建三维形貌。

该仪器的核心是一个微悬臂,与样品相互作用并为测量纳米力学性能提供“物理链路”。尽管悬臂微加工技术多年来不断改进,其整体的设计并未发生太大变化,因此,被动式矩形悬臂现已被业界作为标准广泛使用。传统的悬臂式仪器需要外部的压电声传感器和外部的光学偏转传感器。对于多频率的AFM技术发展趋势而言,这两种组件的表现都不理想,因为多频率AFM技术的成像信息还可以扩展到样品硬度、弹性和粘附性等在内的一系列纳米力学性能。相比之下,活跃的悬臂与芯片级集成驱动和传感器提供了很多传统悬臂所不具备的优势,其中包括没有安装系统的结构模式、缩小比例、单片机AFM、并行悬臂阵列以及无光波干涉。

Michael Ruppert博士正在对原子力显微镜中的自定义悬臂进行改良

Ruppert博士及其同事近期发表了多篇论文,提出了用于提升AFM性能、简化操作以及降低设备成本的集成悬臂解决方案。论文讨论的主题包括优化偏转灵敏度的创新悬臂设计,实现任意共振频率布局并能够集成强大的多模式Q控制。在与德克萨斯大学达拉斯分校的合作中,Ruppert博士还联合开发了首个硅绝缘体、单芯片的微机电系统AFM,其特点是将平面静电激发器与电热传感器整合,以及将用于面外驱动的AIN压电层与偏转传感整合。该方法对于显著降低AFM成本,简化操作复杂性以及扩大产品应用范围方面显示出了巨大的潜力。

该类型的研究依赖于高精度的测量设备从集成的微悬臂中获取和分析传感器信号。通过确定振幅噪声频谱密度,可以得到悬臂系统谐振时的热噪声、悬臂跟踪带宽和仪器的电子噪声底值等重要参数。为此,研究小组使用了Spectrum 仪器公司生产的DN2.593-08 digitizerNETBOX型号。该设备有8个完全同步的数字化通道,每个通道都能以16位分辨率和40MS/s的速率采样信号。为了实现控制和数据传输,digtizerNETBOX还通过一个简单的Gbit以太网连线与主机连接。

DN2.593-08 digtizerNETBOX能够在40MS/s和16位分辨率下实现8个同步通道的采样

研究人员Michael Ruppert博士表示:“digitizerNETBOX是精密机电一体化实验室的重要测量工具。这款设备能够在多个集成传感器领域的低噪声测试下同时产生高分辨率,以满足我们系统性能的需求。”