负刚度隔振平台在原子力显微镜中的应用

原子力显微镜（AFM）已成为在纳米尺度上对材料和细胞进行成像与测量的最重要工具之一。原子力显微镜能够揭示原子级别的样品细节，分辨率可达几分之一纳米量级，它有助于多种应用的成像，例如确定各种表面的表面特性、光刻、数据存储以及原子和纳米级结构的操作。

原子力显微镜在研究中的应用

尽管原子力显微镜技术已经取得了长足的进步，但对于需要使用它的研究人员来说，并不总是能够轻易受益。而且在纳米技术专业的学生实验室中，原子力显微镜的使用也不够普及，这是因为学生操作技能的缺乏，以及可使用的原子力显微镜数量受预算限制。

由于出现了更紧凑、便携且用户友好型的原子力显微镜，其可快速安装且便于运输，非常适合大学多用途课程应用和短期实验室教学课程，这使得原子力显微镜的可获取性得到了改善。

威斯康星大学河瀑分校最近将这样一台用户友好型的原子力显微镜投入使用，用于凝聚态物理研究。这个面向本科生的高级实验课程包括使用原子力显微镜检查通过热蒸发和光刻图案化的金属薄膜。

学生们使用原子力显微镜来查看制成后的图案化薄膜的表面质量，确保图案正确，测量薄膜的轮廓和表面粗糙度，并检查图案边缘光刻的完整性。

实验室的学生还可以使用扫描电子显微镜（SEM）制作图案化薄膜，然后用原子力显微镜检查其质量。利用电子束光刻技术，扫描电子显微镜将一束电子在薄膜表面进行光栅扫描，从而在薄膜上形成特征。在这个过程中，将聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜涂覆在一个表面上，然后引导电子束在样品上扫描，使特定区域的PMMA曝光。

之后对薄膜进行显影，去除曝光的PMMA，从而在薄膜上留下图案。这些图案的特征尺寸可小至100纳米。扫描电子显微镜本身的最大照相放大倍数为300,000倍，能够看到小至3纳米的特征。

振动挑战

扫描电子显微镜和原子力显微镜系统极易受到来自环境的振动影响。随着分辨率不断从微米级跨越到纳米级，像这样的先进显微镜工具对更精确的隔振需求变得愈发关键。当测量几埃或几纳米的位移时，必须为仪器建立一个绝对稳定的表面。

振动可以通过地板传递到原子力显微镜，不仅来自建筑物内的泵和电机，还来自电梯、暖通空调（HVAC）系统、外部车辆交通的移动，以及为显微镜提供支撑的辅助设备。垂直和水平方向的振动都会对所观察图像的质量和分辨率产生负面影响。原子力显微镜对低频振动（几赫兹范围内）最为敏感，这些振动很难消除。

“我们尝试了多种减轻原子力显微镜振动的方法，包括使用小型空气隔振台，但这并没有解决问题，”麦肯说道。“就在去年，我们物理系使用了Minus K技术公司的负刚度隔振器。从那以后，我们原子力显微镜的所有振动问题都得到了解决。”

负刚度隔振平台在AFM中应用实例

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

总结

由Minus K技术公司开发并获得专利的负刚度隔振器为原子力显微镜性能领域提供了一种独特的能力。它们在隔振方面采用了完全被动的机械原理，不需要空气或电力。没有电子元件、电机或泵。它们完全以被动机械模式运行，同时在多个方向上实现了高度的隔振。

“垂直运动隔振是由一个支撑重量负载的刚性弹簧与一个负刚度机制相结合来实现的，”Minus K公司工程副总裁埃里克·朗格说。“在不影响弹簧静态负载支撑能力的情况下，使净垂直刚度变得非常低。与垂直运动隔振器串联连接的梁柱提供水平运动隔振。梁柱的作用类似于一个弹簧与一个负刚度机制相结合。其结果是得到了一个紧凑的被动隔振器，它能够实现非常低的垂直和水平固有频率以及较高的内部结构频率。”

正如新型原子力显微镜是为适应性而设计的一样，更好的隔振解决方案也可用于支持这些原子力显微镜。负刚度隔振使得任何实验室环境都适合取得优异的原子力显微镜检测结果。