Image courtesy: WITEC GmbH  

细腻的触感

原子力显微镜为研究人员和开发人员提供来自大量不同矿物、聚合物、混合物、复合材料或生物组织的超高分辨率地形数据。这项于20世纪80年代开发的技术使用户能够获取样本表面的亚原子级分辨率图像。

原理极其简单:将一根尖端逐渐变细到仅有几个原子大小的细针拉过要检查的样本。原子力在针的最外层原子与最靠近针表面的原子之间相互作用。表面力对针的作用是通过激光光学装置测量的。

WITec GmbH是一家位于德国乌尔姆市的公司,该公司开发了一种特殊的实现方式,实现了以这种方式获取信号并将其传输到样本台控制装置的原理。调整其Z向位置,以使作用在针上的力始终相同。因此,平台位置即时给出表面形貌的坐标,而样本台则代表WITec原子力显微镜的中心。

以最高分辨率和动态性进行定位

由于定位系统需提供空间分辨率,因此样本扫描仪的分辨率必须达到纳米级别。此外,使用电容式传感器可以实现较窄的规格。样本台采用并联运动式机械设计。与堆叠式系统相比,其轨迹的驱动精度更高,并且消除了单个轴的累积误差。

同时,高动态性也不可或缺,因为表面形貌沿z向移动得越快,在×和y轴上的定位就越快速。这可以缩短测量时间,同时降低可能随时间而增加的温度漂移。X和Y向高达200微米的大扫描范围同样非常重要。

WITec创始人兼董事总经理Olaf Hollricher博士证实:“超大扫描范围与高精度容性控制的结合意味着PI是我们独特的合作伙伴”。不过,两家公司有着相似的理念,这对于自WITec成立以来就进行的合作来说是一个很大的优势。

集成更多显微镜模式

但WITec系统的功能远不止于此:就关联显微镜的意义而言,两种额外的显微镜模式可以与原子力显微镜相结合并一起显示:拉曼显微镜和近场扫描光学显微镜(SNOM)。共焦拉曼显微镜可识别样本的化学成分,而近场扫描光学显微镜(SNOM)则可用于分辨率超越衍射极限的光学成像。

扫描台的关键作用

压电陶瓷扫描台在试片定位过程中起着非常关键的作用。扫描台沿扫描平面两个轴的设计行程为100和200 µm、沿Z轴方向的行程为30 µm,位置分辨率高于2 nm。 此外,扫描台可利用电容式传感器实现主动引导,从而提高轨迹保真度:传感器将检测沿运动方向垂直轴的偏差。 扫描台可实时检测并主动补偿运动中的无用串扰,并保证相应数字控制电路以高频率实现所需控制,这是精准控制扫描器位置值和记录照相机的关键所在。

用于众多科学学科的突破性成果

无论是取证分析、半导体技术、材料科学、生命科学还是医疗技术(仅举几例),众多学科均得益于原子力显微镜及其与拉曼显微镜和SNOM相结合的开创性见解。

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