負剛度隔振平臺在原子力顯微鏡中的應用

2025-04-02 13:15:13 18閱讀次數

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原子力顯微鏡（AFM）已成為在納米尺度上對材料和細胞進行成像與測量的最重要工具之一。原子力顯微鏡能夠揭示原子級別的樣品細節，分辨率可達幾分之一納米量級，它有助于多種應用的成像，例如確定各種表面的表面特性、光刻、數據存儲以及原子和納米級結構的操作。

原子力顯微鏡在研究中的應用

盡管原子力顯微鏡技術已經取得了長足的進步，但對于需要使用它的研究人員來說，并不總是能夠輕易受益。而且在納米技術專業的學生實驗室中，原子力顯微鏡的使用也不夠普及，這是因為學生操作技能的缺乏，以及可使用的原子力顯微鏡數量受預算限制。

由于出現了更緊湊、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輸，非常適合大學多用途課程應用和短期實驗室教學課程，這使得原子力顯微鏡的可獲取性得到了改善。

威斯康星大學河瀑分校最近將這樣一臺用戶友好型的原子力顯微鏡投入使用，用于凝聚態物理研究。這個面向本科生的高級實驗課程包括使用原子力顯微鏡檢查通過熱蒸發和光刻圖案化的金屬薄膜。

學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量，確保圖案正確，測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。

實驗室的學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量。利用電子束光刻技術，掃描電子顯微鏡將一束電子在薄膜表面進行光柵掃描，從而在薄膜上形成特征。在這個過程中，將聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜涂覆在一個表面上，然后引導電子束在樣品上掃描，使特定區域的PMMA曝光。

之后對薄膜進行顯影，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為300,000倍，能夠看到小至3納米的特征。

振動挑戰

掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡系統極易受到來自環境的振動影響。隨著分辨率不斷從微米級跨越到納米級，像這樣的先進顯微鏡工具對更精確的隔振需求變得愈發關鍵。當測量幾埃或幾納米的位移時，必須為儀器建立一個絕對穩定的表面。

振動可以通過地板傳遞到原子力顯微鏡，不僅來自建筑物內的泵和電機，還來自電梯、暖通空調（HVAC）系統、外部車輛交通的移動，以及為顯微鏡提供支撐的輔助設備。垂直和水平方向的振動都會對所觀察圖像的質量和分辨率產生負面影響。原子力顯微鏡對低頻振動（幾赫茲范圍內）最為敏感，這些振動很難消除。

“我們嘗試了多種減輕原子力顯微鏡振動的方法，包括使用小型空氣隔振臺，但這并沒有解決問題，”麥肯說道。“就在去年，我們物理系使用了Minus K技術公司的負剛度隔振器。從那以后，我們原子力顯微鏡的所有振動問題都得到了解決。”

負剛度隔振平臺在AFM中應用實例

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

由Minus K技術公司開發并獲得專利的負剛度隔振器為原子力顯微鏡性能領域提供了一種獨特的能力。它們在隔振方面采用了完全被動的機械原理，不需要空氣或電力。沒有電子元件、電機或泵。它們完全以被動機械模式運行，同時在多個方向上實現了高度的隔振。

“垂直運動隔振是由一個支撐重量負載的剛性彈簧與一個負剛度機制相結合來實現的，”Minus K公司工程副總裁埃里克·朗格說。“在不影響彈簧靜態負載支撐能力的情況下，使凈垂直剛度變得非常低。與垂直運動隔振器串聯連接的梁柱提供水平運動隔振。梁柱的作用類似于一個彈簧與一個負剛度機制相結合。其結果是得到了一個緊湊的被動隔振器，它能夠實現非常低的垂直和水平固有頻率以及較高的內部結構頻率。”