德国汉斯多尔夫,2021年3月2日讯——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ζ　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〓

　　纽卡斯尔大ぷ学对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ㄨ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卐涉。

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ξ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Ψ 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。”

　　关于Spectrum仪器

　　Spectrum仪器成立于1989年,迄今为止设计和研发了多款模块化数字化仪及发生器产品,其中包括PC卡(PCIe和PXIe)以及独立以太网设备(LXI)。在过去30年间,Spectrum获得了业界的广泛认可,旗下产品也被用于行业领军企业及一流大学的众多◇产品和科研项目中。Spectrum仪器←总部位于德国汉堡附近的汉斯多尔夫,凭借卓越的技术能力和优质的客户服务享誉全球。更多信息请访问官网www.spectrum-instrumentation.com。