原子力顯微鏡 AFM 與主動(dòng)隔振

引言

隨著人類科研的不斷發(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。

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