負(fù)剛度隔振平臺(tái)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(duì)材料和細(xì)胞進(jìn)行成像與測(cè)量的最重要工具之一。原子力顯微鏡能夠揭示原子級(jí)別的樣品細(xì)節(jié)，分辨率可達(dá)幾分之一納米量級(jí)，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(chǔ)以及原子和納米級(jí)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(zhǎng)足的進(jìn)步，但對(duì)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(shí)驗(yàn)室中，原子力顯微鏡的使用也不夠普及，這是因?yàn)閷W(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(shí)驗(yàn)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)河瀑分校最近將這樣一臺(tái)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(gè)面向本科生的高級(jí)實(shí)驗(yàn)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(cè)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(shí)驗(yàn)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(gè)過程中，將聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜涂覆在一個(gè)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(duì)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最大照相放大倍數(shù)為300,000倍，能夠看到小至3納米的特征。

振動(dòng)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(dòng)影響。隨著分辨率不斷從微米級(jí)跨越到納米級(jí)，像這樣的先進(jìn)顯微鏡工具對(duì)更精確的隔振需求變得愈發(fā)關(guān)鍵。當(dāng)測(cè)量幾?；驇准{米的位移時(shí)，必須為儀器建立一個(gè)絕對(duì)穩(wěn)定的表面。

振動(dòng)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(dòng)，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(dòng)都會(huì)對(duì)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(duì)低頻振動(dòng)（幾赫茲范圍內(nèi)）最為敏感，這些振動(dòng)很難消除。

“我們嘗試了多種減輕原子力顯微鏡振動(dòng)的方法，包括使用小型空氣隔振臺(tái)，但這并沒有解決問題，”麥肯說道?！熬驮谌ツ?，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?cè)恿︼@微鏡的所有振動(dòng)問題都得到了解決?！?/span>

負(fù)剛度隔振平臺(tái)在AFM中應(yīng)用實(shí)例

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

Nanosurf Easyscan2 AFM on a Minus K BM-10

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

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)并獲得專利的負(fù)剛度隔振器為原子力顯微鏡性能領(lǐng)域提供了一種獨(dú)特的能力。它們?cè)诟粽穹矫娌捎昧送耆粍?dòng)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。它們完全以被動(dòng)機(jī)械模式運(yùn)行，同時(shí)在多個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)了高度的隔振。

“垂直運(yùn)動(dòng)隔振是由一個(gè)支撐重量負(fù)載的剛性彈簧與一個(gè)負(fù)剛度機(jī)制相結(jié)合來實(shí)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(dòng)隔振器串聯(lián)連接的梁柱提供水平運(yùn)動(dòng)隔振。梁柱的作用類似于一個(gè)彈簧與一個(gè)負(fù)剛度機(jī)制相結(jié)合。其結(jié)果是得到了一個(gè)緊湊的被動(dòng)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?！?/span>

正如新型原子力顯微鏡是為適應(yīng)性而設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境都適合取得優(yōu)異的原子力顯微鏡檢測(cè)結(jié)果。