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【推荐】原子力显微镜即将进入实用阶段

时间:2023-01-16 来源网站:常德化工机械网

仪器仪表频道讯:20世纪80年代,当IBM的Gerd Binnig听到世界上第一台扫描隧道显微镜(STM)的尖端在原子表面上拖曳,发出“迷人的噪声”时,这些能够观察到尺度非常小的显微世界的工具,就成为了纳米技术研究和发展的基石。

随后,在类似的工作原理上,科学家们又发展出了原子力显微镜(atomic force microscope,简称AFM)。多年来这种技术一直不断发展,IBM甚至希望用它作为公司一项内存研发项目的基础技术。尽管他们已经付出了很多努力,AFM的体积仍然很庞大,花费也不菲,得到5万美元左右。

现在,德克萨斯大学(UT)达拉斯分校的研究人员通过使用微机电(MEMS)技术改进了AFM的技术性能。他们的研究结果证明,在使用新技术后,整个AFM的体积大约可以缩小到1平方厘米那么大。

在学术期刊《IEEE微机电系统》上,科学家描述了具体的应用方式。他们将基于MEMS的AFM连接到包含电路、传感器和控制设备等小型化部件的电路板上了。依靠现在先进的制作工艺,就可以极大地缩小整个AFM的体积。

虽然,成本下降(因为尺寸的缩小和MEMS器件的规模经济效应)是新一代AFM最大的特点,但实际上,AFM的测量方式才是这项技术真正的创新所在。

通常,AFM的整套设备中,包含一个悬臂式的探针,在记录和扫描样品表面时,探针会从样品的表面经过,只要记录探针与样品在保持同等的原子力所需的垂直位移(因为原子会产生相互排斥的力,使排斥力保持恒定,就能勾勒样品的轮廓)来绘制材料的表面特征。

而来自达拉斯分校的科学家开发了一套新的装置,它们不再依赖恒定的力或距离。新装置的尖端会垂直于样品上下振动,在接触样品后快速抬离。在AFM技术中,这种模式被称为“轻敲模式”(Tappingmode)。这种技术与广泛使用的接触模式AFM形成了鲜明的对比。

达拉斯分校的研究人员开发了一种新颖的方法来在AFM中实现轻敲模式:通过同时使用单个压电换能器进行驱动和感测,从而避免了使用光学传感器。由于接触后的振幅会随着与样品相互作用的结构位置的不同而改变,所以新型的原子力显微镜就能通过记录振荡的振幅来生成样品的图像。

“在轻敲模式下执行测量减少了施加到样品上的力,这对于扫描脆弱的样品(比如生物样本)非常重要。”达拉斯分校的机械工程教授、这项研究的共同作者Reza Moheimani在接受《IEEE综览》的采访时说道。

“我们认为,系统的最终版本将使用类似的方法,用紧凑的机动化设备来使MEMS芯片与样品接触。目前受限于当前AFM设备的成像技术,该设备还不能在液体环境中的成像。不过已经不用放在真空环境中才能测试样品了。在未来,新式的MEMS-AFM设备或许会考虑设计出在液体中也能成像的功能,”Moheimani还说。

MEMS-AFM的原型机使用了简单的MEMS工艺制造,其中所有机械扫描和感测部件都包含在一片微小的芯片中。Moheimani说:“研究者们在设计器件以满足制造工艺要求的同时,在获得机械带宽、位移范围和交叉耦合方面的所需特性方面存在重大挑战。”

达拉斯分校的研究人员必须采用迭代设计过程,其中对器件的早期制造版本的测试和表征允许他们更好地利用制造工艺的能力,并显着改善诸如交叉耦合降低和可靠性等领域的性能的信号路由。

Moheimani和他的同事们已经对MEMS-AFM的下一个工程挑战有了自己的看法。例如,在使用电子束沉积的后处理步骤中制造在MEMS-AFM的悬臂的端部处的尖锐探针。研究人员正在努力将探针的制造集成到MEMS制造过程中。这将简化装置的制造并提高耐久性。

此外,研究人员正在寻求小型化支持电子和控制系统。他们正在尝试将MEMS芯片接口的专用集成电路(ASIC)与样机硬件相结合。这将使得通过单个USB连接与最终用户的PC连接成为可能。

最后,Moheimani还说:“我们的最终目标是开发一个可以使用单个MEMS芯片执行视频速率AFM成像的系统。当前设备成功地演示了所需的许多功能,并且设备的未来迭代产品将被设计为朝着这一目标进一步努力。这样的设备将使得人们能够使用便携且成本较低的系统来执行高速AFM成像。”

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