聯(lián)系電話(huà):
010-5637 0168-696
原子力顯微鏡 AFM 與主動(dòng)隔振
引言
隨著人類(lèi)科研的不斷發(fā)展, 納米尺度上物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、相互作用以及一些特殊的現(xiàn)象等越來(lái)越受到關(guān)注,所以各種研究方法和儀器手段也應(yīng)運(yùn)而生,比如原子力顯微鏡。原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,AFM)是一種掃描探針顯微鏡,主要通過(guò)測(cè)量探針與被測(cè)物質(zhì)表面之間的相互作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)原子和分子級(jí)別的表面形貌和物理特性的表征和觀測(cè)。原子力顯微鏡既可以觀察導(dǎo)體,也可以觀察非導(dǎo)體。以高分辨率、高靈敏度、高可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn),結(jié)合主動(dòng)隔振的測(cè)試環(huán)境,在材料科學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。
AFM 的工作原理
AFM 由一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的彈性微懸臂(通常是氮化硼),在其*端有一個(gè)用來(lái)在樣品表面上掃描的很尖細(xì)的探針(針尖的下端通常只有幾個(gè)納米的尺寸),通過(guò)探測(cè)針尖與樣品之間的相互作用力來(lái)獲得表面拓?fù)鋱D,以及其在物理參數(shù)(例如硬度、電荷密度)方面的評(píng)價(jià)。
此作用力為原子間的排斥力或吸引力即范德華力(Van Der Waals Force),假設(shè)有兩個(gè)原子,一個(gè)是在微懸臂的探針*端,另一個(gè)是在樣品的表面,它們之間的作用力會(huì)隨著距離的變化而變化。當(dāng)原子和原子很接近時(shí),彼此的電子云排斥力作用會(huì)大于原子核與電子云之間的吸引作用,其合力表現(xiàn)為排斥作用。反之,若兩原子分開(kāi)到一定距離時(shí),其電子云的排斥作用小于彼此原子核與電子云之間的吸引力作用,故其合力表現(xiàn)為吸引作用。在原子力顯微鏡系統(tǒng)中,該作用力隨樣品表面形態(tài)而變化,它會(huì)使微懸臂隨之?dāng)[動(dòng)。將一束激光照射在微懸臂的末端,當(dāng)微懸臂擺動(dòng)時(shí),會(huì)使反射激光的位置改變而造成偏移量,用激光檢測(cè)器記錄此偏移量,同時(shí)將此信號(hào)傳遞給反饋系統(tǒng),以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,從而將樣品表面特征以影像的方式顯現(xiàn)出來(lái)。
AFM 為什么需要主動(dòng)隔振光學(xué)平臺(tái)?
AFM 常見(jiàn)的工作模式有三種:接觸、輕敲和相位移模式。
接觸模式:微懸臂探針緊壓樣品表面,檢測(cè)時(shí)與樣品保持接觸,作用力(斥力)通過(guò)微懸臂的變形進(jìn)行測(cè)量;
輕敲模式:針尖與樣品表面相接觸,用處于共振狀態(tài)、上下振蕩的微懸臂探針對(duì)樣品表面進(jìn)行掃描,樣品表面起伏使微懸臂探針的振幅產(chǎn)生相應(yīng)變化,從而得到樣品的表面形貌。該模式下,掃描成像時(shí)針尖對(duì)樣品進(jìn)行“敲擊",兩者間只有瞬間接觸,能有效克服接觸模式下因針尖的作用力,尤其是橫向力引起的樣品損傷,適合于柔軟或吸附樣品的檢測(cè);
相位移模式:輕敲模式的一項(xiàng)重要擴(kuò)展技術(shù),通過(guò)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)微懸臂探針振動(dòng)的信號(hào)源的相位角與微懸臂探針實(shí)際振動(dòng)的相位角之差(即兩者的相移)的變化來(lái)成像。引起該相移的因素很多,如樣品的組分、硬度、粘彈性質(zhì)等。因此利用相位移模式,可以在納米尺度上獲得樣品表面局域性質(zhì)的豐富信息。迄今相位移模式已成為原子力顯微鏡的一種重要檢測(cè)技術(shù)。
以上,無(wú)論哪一種工作模式,如果工作環(huán)境有振動(dòng),即便是微弱的,都會(huì)對(duì)納米尺度的針尖工作和移動(dòng)帶來(lái)較大甚至破壞性的影響,無(wú)法獲得準(zhǔn)確且可靠的數(shù)據(jù)。
主動(dòng)隔振光學(xué)平臺(tái)是一種高精度的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),它通過(guò)主動(dòng)控制技術(shù)來(lái)減少或消除外界因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。這種平臺(tái)通常由臺(tái)面和主動(dòng)隔振支撐兩部分組成,其中臺(tái)面采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如真蜂窩三層夾心式結(jié)構(gòu),以確保其具有良好的穩(wěn)定性和精度。主動(dòng)隔振光學(xué)平臺(tái)的隔振支撐系統(tǒng)通過(guò)安裝有洛倫茲電機(jī),實(shí)現(xiàn)水平和豎直方向上的精確控制,通過(guò)冗余控制策略,確保平臺(tái)的穩(wěn)定性和實(shí)驗(yàn)的精確性。此外,這些平臺(tái)還具備六自由度的主動(dòng)控制能力,能夠自動(dòng)調(diào)整并保持水平,對(duì)于原子力顯微鏡等高精度光學(xué)儀器的使用至關(guān)重要,確保了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。
主動(dòng)隔振光學(xué)平臺(tái)
北京卓立漢光儀器有限公司針對(duì)高精密測(cè)試設(shè)備提供桌面式隔振臺(tái)和主動(dòng)隔振桌等主動(dòng)隔振光學(xué)平臺(tái)。桌面式隔振臺(tái)包括Accurion i4和Accurion Nano系列,主動(dòng)隔振桌包括Workstation_i4和Workstation_Vario系列。
Accurion i4 系列
i4是一種先進(jìn)的主動(dòng)隔振臺(tái),它可抵消敏感設(shè)備的不必要振動(dòng)和其他干擾對(duì)高精度測(cè)量設(shè)備產(chǎn)生的影響。具有低剖面低碳設(shè)計(jì)、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定時(shí)間短、弱的低頻共振等特點(diǎn)。隔振從0.6Hz開(kāi)始,在10Hz時(shí)達(dá)到最佳效果,40分貝,99%的振動(dòng)被隔離。另外,低頻共振是主動(dòng)減震臺(tái)和被動(dòng)減震臺(tái)的最大區(qū)別,在低頻率震動(dòng)中,被動(dòng)隔震臺(tái)將會(huì)放大振動(dòng)而不是隔離振動(dòng)。隔震臺(tái)的工作不需要壓縮空氣,只需要供應(yīng)電源的插座。在六個(gè)自由度的方向上,i4系列隔震臺(tái)都提供了主動(dòng)補(bǔ)償,以實(shí)現(xiàn)隔震效果。
圖 Accurion i4 系列主動(dòng)隔振臺(tái)
六個(gè)自由度主動(dòng)隔振
無(wú)低頻共振 - 低頻范圍內(nèi)具有優(yōu)異的隔振特性
低至0.6Hz開(kāi)始主動(dòng)隔振(>200Hz 被動(dòng)隔振)
只需0.3秒的設(shè)置時(shí)間
自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載
因固有剛度具有高度的位置穩(wěn)定性
接電即可,無(wú)需壓縮空氣
真正的主動(dòng)隔振:即時(shí)產(chǎn)生反作用力來(lái)抵消振動(dòng)
廣泛的適用范圍: 擁有標(biāo)準(zhǔn)化
適用于多種應(yīng)用的多功能隔離系統(tǒng)
Accurion Nano 系列
Nano系列主動(dòng)隔振臺(tái)的設(shè)計(jì)適用于小型和輕量的隔振應(yīng)用,例如用作原子力顯微鏡的隔振。該系統(tǒng)不需要任何負(fù)載調(diào)整,只需釋放運(yùn)輸鎖就可以使用,用戶(hù)不需要進(jìn)一步的操作。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,價(jià)格實(shí)惠,此外,有一個(gè)較小的外部控制器,通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)連接到隔振臺(tái),這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是隔振臺(tái)本身不會(huì)產(chǎn)生熱量,因此不會(huì)對(duì)隔振儀器產(chǎn)生影響,這對(duì)于在隔音罩內(nèi)使用并且對(duì)熱敏感的應(yīng)用非常重要??刂破鬟h(yuǎn)離被隔振的儀器,以消除控制器電子器件產(chǎn)生的潛在電磁干擾。
主動(dòng)隔振臺(tái)有專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的焊接鋼架結(jié)構(gòu)承重桌,這是可選附件。承重桌具有很高的水平和垂直剛度,是主動(dòng)隔振臺(tái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀隔離性能的理想實(shí)驗(yàn)桌。用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際需要,選取不同尺寸的承重桌。
圖 Nano 系列主動(dòng)隔振臺(tái)
六個(gè)自由度主動(dòng)隔振
無(wú)低頻共振 - 低頻范圍內(nèi)具有優(yōu)異的隔振特性
低至 0.7Hz 開(kāi)始主動(dòng)隔振(>200Hz 被動(dòng)隔振)
接電即可,無(wú)需壓縮空氣
簡(jiǎn)單操作,無(wú)需負(fù)載調(diào)整
只需 0.3 秒的設(shè)置時(shí)間
主動(dòng)隔振桌采用高強(qiáng)度材料和堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 具有優(yōu)異的穩(wěn)定性
外部控制單元
小型、輕量、超精確需求的理想解決 方案。
主動(dòng)隔振桌采用高強(qiáng)度材料和堅(jiān)固 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),具有優(yōu)異的穩(wěn)定性
外部控制單元
Workstation_i4 和 Workstation_Vario 系列
Workstation_i4設(shè)計(jì)用于與光學(xué)顯微鏡或顯微鏡/SPM組合一起使用。隔離表面由防刮MDF板包圍,方便扶手或作為存儲(chǔ)區(qū)域。根據(jù)客戶(hù)要求,三個(gè) i4版本中的任何一個(gè)都可以集成到工作站中。
Workstation_Vario系統(tǒng)配有鋼框架嵌入式光學(xué)實(shí)驗(yàn)板作為工作桌面。具有擴(kuò)展性,周邊框架可用于隔音罩的安裝。與 Workstation_i4 相比,這些版本適用于更大、更重的應(yīng)用程序。
Workstation_i4 Workstation_Vario
六個(gè)自由度主動(dòng)隔振
無(wú)低頻共振 - 低頻范圍內(nèi)具有優(yōu)異的隔振特性
自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載和運(yùn)輸鎖定
只需 0.3 秒的設(shè)置時(shí)間
接電即可,無(wú)需壓縮空氣
符合人體工學(xué)的座椅
因固有剛度具有高度的位置穩(wěn)定性
廣泛的適用范圍: 擁有標(biāo)準(zhǔn)化
相關(guān)應(yīng)用
原子力顯微鏡是一種非常強(qiáng)大的工具,可以被應(yīng)用于很多領(lǐng)域:
(1)材料科學(xué)
材料表征:納米粒子、原子層材料、碳納米管等。 材料力學(xué)性質(zhì):硬度、彈性、塑性等
(2)生物領(lǐng)域
生物樣品表征:對(duì)生物細(xì)胞、蛋白質(zhì)、分子等進(jìn)行表征和成像,為生物學(xué)中的結(jié)構(gòu)研究提供了高分辨率的手段。
材料學(xué)和生物學(xué)的融合:研究生物分子的交互作用、診斷疾病和制備分子電子學(xué)和生物電子學(xué)的材料。
納米醫(yī)學(xué):藥物傳遞系統(tǒng)、納米粒子檢測(cè)等
(3)化學(xué)領(lǐng)域
化學(xué)品的檢測(cè)和表征:測(cè)量材料的電荷密度、催化劑的活性和分子間的相互作用效率。此外,可 以用于繪制分子形貌和分析反應(yīng)進(jìn)程及反應(yīng)物的表面活性。
總 結(jié)
北京卓立漢光儀器有限公司自主研制的主動(dòng)隔振光學(xué)平臺(tái)能提供高穩(wěn)定性環(huán)境,對(duì)于原子力顯微鏡等高精度光學(xué)儀器的使用至關(guān)重要,為廣大科研工作者的科學(xué)研究帶來(lái)強(qiáng)有力穩(wěn)定性支撐。
相關(guān)產(chǎn)品
免責(zé)聲明
北京卓立漢光儀器有限公司公眾號(hào)所發(fā)布內(nèi)容(含圖片)來(lái)源于原作者提供或原文授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章版權(quán)、數(shù)據(jù)及所述觀點(diǎn)歸原作者原出處所有,北京卓立漢光儀器有限公司發(fā)布及轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享。
如果您認(rèn)為本文存在侵權(quán)之處,請(qǐng)與我們聯(lián)系,會(huì)第一時(shí)間及時(shí)處理。我們力求數(shù)據(jù)嚴(yán)謹(jǐn)準(zhǔn)確, 如有任何疑問(wèn),敬請(qǐng)讀者不吝賜教。我們也熱忱歡迎您投稿并發(fā)表您的觀點(diǎn)和見(jiàn)解。
技術(shù)支持:化工儀器網(wǎng) 管理登陸 網(wǎng)站地圖