原子力显微镜 AFM 与主动隔振

原子力显微镜 AFM 与主动隔振

引言

随着人类科研的不断发展, 纳米尺度上物质的结构、相互作用以及一些特殊的现象等越来越受到关注，所以各种研究方法和仪器手段也应运而生，比如原子力显微镜。原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种扫描探针显微镜，主要通过测量探针与被测物质表面之间的相互作用力来实现对原子和分子级别的表面形貌和物理特性的表征和观测。原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体。 以高分辨率、高灵敏度、高可重复性等优点，结合主动隔振的测试环境，在材料科学、生物学、化学等领域得到极为广泛的应用。

AFM 的工作原理

AFM 由一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂（通常是氮化硼），在其尖端有一个用来在样品表面上扫描的很尖细的探针（针尖的下端通常只有几个纳米的尺寸），通过探测针尖与样品之间的相互作用力来获得表面拓扑图，以及其在物理参数（例如硬度、电荷密度）方面的评价。

此作用力为原子间的排斥力或吸引力即范德华力（Van Der Waals Force），假设有两个原子，一个是在微悬臂的探针尖端，另一个是在样品的表面，它们之间的作用力会随着距离的变化而变化。 当原子和原子很接近时，彼此的电子云排斥力作用会大于原子核与电子云之间的吸引作用，其合力表现为排斥作用。反之，若两原子分开到一定距离时，其电子云的排斥作用小于彼此原子核与电子云之 间的吸引力作用，故其合力表现为吸引作用。在原子力显微镜系统中，该作用力随样品表面形态而变化，它会使微悬臂随之摆动。将一束激光照射在微悬臂的末端，当微悬臂摆动时，会使反射激光的位置改变而造成偏移量，用激光检测器记录此偏移量，同时将此信号传递给反馈系统，以利于系统做适当的调整，从而将样品表面特征以影像的方式显现出来。

AFM 为什么需要主动隔振光学平台？

AFM 常见的工作模式有三种：接触、轻敲和相位移模式。

接触模式：微悬臂探针紧压样品表面，检测时与样品保持接触，作用力（斥力）通过微悬臂的变形进行测量；

轻敲模式：针尖与样品表面相接触，用处于共振状态、上下振荡的微悬臂探针对样品表面进行扫描，样品表面起伏使微悬臂探针的振幅产生相应变化，从而得到样品的表面形貌。该模式下，扫描成像时针尖对样品进行“敲击”，两者间只有瞬间接触，能有效克服接触模式下因针尖的作用力，尤其是横向力引起的样品损伤，适合于柔软或吸附样品的检测；

相位移模式：轻敲模式的一项重要扩展技术，通过检测驱动微悬臂探针振动的信号源的相位角与微悬臂探针实际振动的相位角之差（即两者的相移）的变化来成像。引起该相移的因素很多，如样品的组分、硬度、粘弹性质等。因此利用相位移模式，可以在纳米尺度上获得样品表面局域性质的丰富信息。迄今相位移模式已成为原子力显微镜的一种重要检测技术。

以上，无论哪一种工作模式，如果工作环境有振动，即便是微弱的，都会对纳米尺度的针尖工作和移动带来较大甚至破坏性的影响，无法获得准确且可靠的数据。

主动隔振光学平台是一种高精度的实验平台，它通过主动控制技术来减少或消除外界因素对实验的影响，确保实验的准确性和稳定性。这种平台通常由台面和主动隔振支撑两部分组成，其中台面采用特殊结构设计，如真蜂窝三层夹心式结构，以确保其具有良好的稳定性和精度。主动隔振光学平台的隔振支撑系统通过安装有洛伦兹电机，实现水平和竖直方向上的精确控制，通过冗余控制策略，确保平台的稳定性和实验的精确性。此外，这些平台还具备六自由度的主动控制能力，能够自动调整并保持水平，对于原子力显微镜等高精度光学仪器的使用至关重要，确保了实验的准确性和可靠性。

主动隔振光学平台

北京卓立汉光仪器有限公司针对高精密测试设备提供桌面式隔振台和主动隔振桌等主动隔振光学平台。桌面式隔振台包括Accurion i4和Accurion Nano系列，主动隔振桌包括Workstation_i4和Workstation_Vario系列。

Accurion i4 系列

i4是一种先进的主动隔振台，它可抵消敏感设备的不必要振动和其他干扰对高精度测量设备产生的影响。具有低剖面低碳设计、操作简单、稳定时间短、弱的低频共振等特点。隔振从0.6Hz开始， 在 10 Hz 时达到最佳效果，40 分贝，99%的振动被隔离。另外，低频共振是主动减震台和被动减震台的最大区别，在低频率震动中，被动隔震台将会放大振动而不是隔离振动。隔震台的工作不需要压缩空气，只需要供应电源的插座。在六个自由度的方向上，i4系列隔震台都提供了主动补偿，以实现隔震效果。

图 Accurion i4 系列主动隔振台

• 六个自由度主动隔振

• 无低频共振 - 低频范围内具有优异的隔振特性

• 低至 0.6Hz 开始主动隔振(>200Hz 被动隔振）

• 只需 0.3 秒的设置时间

• 自动调节负载

• 因固有刚度具有高度的位置稳定性

• 接电即可，无需压缩空气

• 真正的主动隔振：即时产生反作用力来抵消振动

• 广泛的适用范围: 拥有标准化

• 适用于多种应用的多功能隔离系统

Accurion Nano 系列

Nano系列主动隔振台的设计适用于小型和轻量的隔振应用，例如用作原子力显微镜的隔振。该系统不需要任何负载调整，只需释放运输锁就可以使用，用户不需要进一步的操作。设计简单，价格实惠，此外，有一个较小的外部控制器，通过数据线连接到隔振台，这样设计的优点是隔振台本身不会产生热量，因此不会对隔振仪器产生影响，这对于在隔音罩内使用并且对热敏感的应用非常重要。 控制器远离被隔振的仪器，以消除控制器电子器件产生的潜在电磁干扰。

主动隔振台有专门设计的焊接钢架结构承重桌，这是可选附件。承重桌具有很高的水平和垂直刚度，是主动隔振台实现优秀隔离性能的理想实验桌。用户可以根据实际需要，选取不同尺寸的承重桌。

图 Nano 系列主动隔振台

• 六个自由度主动隔振

• 无低频共振 - 低频范围内具有优异的隔振特性

• 低至 0.7Hz 开始主动隔振(>200Hz 被动隔振）

• 接电即可，无需压缩空气

• 简单操作，无需负载调整

• 只需 0.3 秒的设置时间

• 主动隔振桌采用高强度材料和坚固的结构设计， 具有优异的稳定性

• 外部控制单元

• 小型、轻量、超精确需求的理想解决 方案。

• 主动隔振桌采用高强度材料和坚固 的结构设计，具有优异的稳定性

• 外部控制单元

Workstation_i4 和 Workstation_Vario 系列

Workstation_i4设计用于与光学显微镜或显微镜/SPM组合一起使用。 隔离表面由防刮 MDF 板包围，方便扶手或作为存储区域。根据客户要求，三个 i4 版本中的任何一个都可以集成到工作站中。

Workstation_Vario系统配有钢框架嵌入式光学实验板作为工作桌面。具有扩展性，周边框架可用于隔音罩的安装。与 Workstation_i4 相比，这些版本适用于更大、更重的应用程序。

Workstation_i4                                                   Workstation_Vario

• 六个自由度主动隔振

• 无低频共振 - 低频范围内具有优异的隔振特性

• 自动调节负载和运输锁定

• 只需 0.3 秒的设置时间

• 接电即可，无需压缩空气

• 符合人体工学的座椅

• 因固有刚度具有高度的位置稳定性

• 广泛的适用范围: 拥有标准化

相关应用

原子力显微镜是一种非常强大的工具，可以被应用于很多领域：

（1）材料科学

材料表征：纳米粒子、原子层材料、碳纳米管等。             材料力学性质：硬度、弹性、塑性等

（2）生物领域

生物样品表征：对生物细胞、蛋白质、分子等进行表征和成像，为生物学中的结构研究提供了高分辨率的手段。

材料学和生物学的融合：研究生物分子的交互作用、诊断疾病和制备分子电子学和生物电子学的材料。

纳米医学：药物传递系统、纳米粒子检测等

（3）化学领域

化学品的检测和表征：测量材料的电荷密度、催化剂的活性和分子间的相互作用效率。此外，可 以用于绘制分子形貌和分析反应进程及反应物的表面活性。

总 结

北京卓立汉光仪器有限公司自主研制的主动隔振光学平台能提供高稳定性环境，对于原子力显微镜等高精度光学仪器的使用至关重要，为广大科研工作者的科学研究带来强有力稳定性支撑。

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