原子力顯微鏡 AFM 與主動隔振

引言

隨著人類科研的不斷發(fā)展, 納米尺度上物質的結構、相互作用以及一些特殊的現(xiàn)象等越來越受到關注，所以各種研究方法和儀器手段也應運而生，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，主要通過測量探針與被測物質表面之間的相互作用力來實現(xiàn)對原子和分子級別的表面形貌和物理特性的表征和觀測。原子力顯微鏡既可以觀察導體，也可以觀察非導體。以高分辨率、高靈敏度、高可重復性等優(yōu)點，結合主動隔振的測試環(huán)境，在材料科學、生物學、化學等領域得到極為廣泛的應用。

AFM 的工作原理

AFM 由一個對微弱力極敏感的彈性微懸臂（通常是氮化硼），在其*端有一個用來在樣品表面上掃描的很尖細的探針（針尖的下端通常只有幾個納米的尺寸），通過探測針尖與樣品之間的相互作用力來獲得表面拓撲圖，以及其在物理參數(shù)（例如硬度、電荷密度）方面的評價。

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），假設有兩個原子，一個是在微懸臂的探針*端，另一個是在樣品的表面，它們之間的作用力會隨著距離的變化而變化。當原子和原子很接近時，彼此的電子云排斥力作用會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，若兩原子分開到一定距離時，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，它會使微懸臂隨之擺動。將一束激光照射在微懸臂的末端，當微懸臂擺動時，會使反射激光的位置改變而造成偏移量，用激光檢測器記錄此偏移量，同時將此信號傳遞給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當?shù)恼{整，從而將樣品表面特征以影像的方式顯現(xiàn)出來。

AFM 為什么需要主動隔振光學平臺？

AFM 常見的工作模式有三種：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，檢測時與樣品保持接觸，作用力（斥力）通過微懸臂的變形進行測量；

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樣品表面進行掃描，樣品表面起伏使微懸臂探針的振幅產生相應變化，從而得到樣品的表面形貌。該模式下，掃描成像時針尖對樣品進行“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；

相位移模式：輕敲模式的一項重要擴展技術，通過檢測驅動微懸臂探針振動的信號源的相位角與微懸臂探針實際振動的相位角之差（即兩者的相移）的變化來成像。引起該相移的因素很多，如樣品的組分、硬度、粘彈性質等。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技術。

以上，無論哪一種工作模式，如果工作環(huán)境有振動，即便是微弱的，都會對納米尺度的針尖工作和移動帶來較大甚至破壞性的影響，無法獲得準確且可靠的數(shù)據(jù)。

主動隔振光學平臺是一種高精度的實驗平臺，它通過主動控制技術來減少或消除外界因素對實驗的影響，確保實驗的準確性和穩(wěn)定性。這種平臺通常由臺面和主動隔振支撐兩部分組成，其中臺面采用特殊結構設計，如真蜂窩三層夾心式結構，以確保其具有良好的穩(wěn)定性和精度。主動隔振光學平臺的隔振支撐系統(tǒng)通過安裝有洛倫茲電機，實現(xiàn)水平和豎直方向上的精確控制，通過冗余控制策略，確保平臺的穩(wěn)定性和實驗的精確性。此外，這些平臺還具備六自由度的主動控制能力，能夠自動調整并保持水平，對于原子力顯微鏡等高精度光學儀器的使用至關重要，確保了實驗的準確性和可靠性。

主動隔振光學平臺

北京卓立漢光儀器有限公司針對高精密測試設備提供桌面式隔振臺和主動隔振桌等主動隔振光學平臺。桌面式隔振臺包括Accurion i4和Accurion Nano系列，主動隔振桌包括Workstation_i4和Workstation_Vario系列。

Accurion i4 系列

i4是一種先進的主動隔振臺，它可抵消敏感設備的不必要振動和其他干擾對高精度測量設備產生的影響。具有低剖面低碳設計、操作簡單、穩(wěn)定時間短、弱的低頻共振等特點。隔振從0.6Hz開始，在10Hz時達到最佳效果，40分貝，99%的振動被隔離。另外，低頻共振是主動減震臺和被動減震臺的最大區(qū)別，在低頻率震動中，被動隔震臺將會放大振動而不是隔離振動。隔震臺的工作不需要壓縮空氣，只需要供應電源的插座。在六個自由度的方向上，i4系列隔震臺都提供了主動補償，以實現(xiàn)隔震效果。

圖 Accurion i4 系列主動隔振臺

• 六個自由度主動隔振

• 無低頻共振 - 低頻范圍內具有優(yōu)異的隔振特性

• 低至0.6Hz開始主動隔振(>200Hz 被動隔振）

• 只需0.3秒的設置時間

• 自動調節(jié)負載

• 因固有剛度具有高度的位置穩(wěn)定性

• 接電即可，無需壓縮空氣

• 真正的主動隔振：即時產生反作用力來抵消振動

• 廣泛的適用范圍: 擁有標準化

• 適用于多種應用的多功能隔離系統(tǒng)

Accurion Nano 系列

Nano系列主動隔振臺的設計適用于小型和輕量的隔振應用，例如用作原子力顯微鏡的隔振。該系統(tǒng)不需要任何負載調整，只需釋放運輸鎖就可以使用，用戶不需要進一步的操作。設計簡單，價格實惠，此外，有一個較小的外部控制器，通過數(shù)據(jù)線連接到隔振臺，這樣設計的優(yōu)點是隔振臺本身不會產生熱量，因此不會對隔振儀器產生影響，這對于在隔音罩內使用并且對熱敏感的應用非常重要?？刂破鬟h離被隔振的儀器，以消除控制器電子器件產生的潛在電磁干擾。

主動隔振臺有專門設計的焊接鋼架結構承重桌，這是可選附件。承重桌具有很高的水平和垂直剛度，是主動隔振臺實現(xiàn)優(yōu)秀隔離性能的理想實驗桌。用戶可以根據(jù)實際需要，選取不同尺寸的承重桌。

圖 Nano 系列主動隔振臺

• 六個自由度主動隔振

• 無低頻共振 - 低頻范圍內具有優(yōu)異的隔振特性

• 低至 0.7Hz 開始主動隔振(>200Hz 被動隔振）

• 接電即可，無需壓縮空氣

• 簡單操作，無需負載調整

• 只需 0.3 秒的設置時間

• 主動隔振桌采用高強度材料和堅固的結構設計， 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。

• 主動隔振桌采用高強度材料和堅固 的結構設計，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設計用于與光學顯微鏡或顯微鏡/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區(qū)域。根據(jù)客戶要求，三個 i4版本中的任何一個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實驗板作為工作桌面。具有擴展性，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、更重的應用程序。

Workstation_i4                             Workstation_Vario

• 六個自由度主動隔振

• 無低頻共振 - 低頻范圍內具有優(yōu)異的隔振特性

• 自動調節(jié)負載和運輸鎖定

• 只需 0.3 秒的設置時間

• 接電即可，無需壓縮空氣

• 符合人體工學的座椅

• 因固有剛度具有高度的位置穩(wěn)定性

• 廣泛的適用范圍: 擁有標準化

相關應用

原子力顯微鏡是一種非常強大的工具，可以被應用于很多領域：

（1）材料科學

材料表征：納米粒子、原子層材料、碳納米管等。             材料力學性質：硬度、彈性、塑性等

（2）生物領域

生物樣品表征：對生物細胞、蛋白質、分子等進行表征和成像，為生物學中的結構研究提供了高分辨率的手段。

材料學和生物學的融合：研究生物分子的交互作用、診斷疾病和制備分子電子學和生物電子學的材料。

納米醫(yī)學：藥物傳遞系統(tǒng)、納米粒子檢測等

（3）化學領域

化學品的檢測和表征：測量材料的電荷密度、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進程及反應物的表面活性。

總 結

北京卓立漢光儀器有限公司自主研制的主動隔振光學平臺能提供高穩(wěn)定性環(huán)境，對于原子力顯微鏡等高精度光學儀器的使用至關重要，為廣大科研工作者的科學研究帶來強有力穩(wěn)定性支撐。

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