大范围扫描原子力显微镜自动调平控制技术
1 引 言
原子力显微镜(atomic forcemicroscopy,AFM)[1]作为扫描探针显微镜(scanning probemicroscopy, SPM)[2]中极具代表性的一员,目前已广泛应用于生物[3]、半导体检测[4]等方面。随着相关应用的进一步发展,对AFM的性能也提出了更高的要求,由于活体生物样本,如活细胞、新鲜组织等,结构相对繁杂,几何尺度跨度大,生命活动变化快速,环境要求苛刻,多数细胞稳定性差,运用传统意义的小范围、慢速扫描的AFM进行在位表征[5]与成像时面临着巨大挑战。针对AFM扫描速度的问题,许多研究机构已经取得了一定成果,但其往往是在小扫描范围内实现高速,如数百纳米、数微米的扫描范围内[6-9]。S.Gao等人采用多扫描头并行扫描的方法实现大范围扫描[10],理论上并的扫描头越多,扫描范围越大,但在实际扫描过程中各扫描头之间会存在一定的耦合,势必对最后图像拼接的效果带来影响。C. Rechnagel等人实现了25 mm×25 mm的大扫描范围[11],谢志刚等人更是实现了最大300 mm×300 mm的扫描范围[12],但他们均只是在这么大的扫描范围内找到感兴趣的扫描区域,然后再在小范围内(如15μm)开始正常的AFM扫描。周俞生等人用AFM在经过打磨处理的铝薄片上,实现了1.5 kHz行频, 20μm×20μm大范围的高速扫描成像[13],但Z方向并没有采用闭环控制,只能扫描平整的样品来防止针尖和样品的损坏。
2 系统构建
本实验室近几年一直开展大范围高速AFM的研究工作,如图1所示为本实验室搭建的大范围高速AFM扫描系统结构图。与普通AFM不同,本结构包括上下两个扫描器[14]。上扫描器由PI公司生产的PL022型压电陶瓷管执行,陶瓷管具有体积小、结构简单、自振频率高等特点,主要负责Z向高速闭环跟踪响应,谐振频率300 kHz,行程2. 2μm。下扫描器为PI公司生产的P-517.3CL型多轴压电型扫描台,该扫描台带有位移传感器,能实现X、Y、Z三轴方向闭环运动控制,其中X、Y方向最大行程均为100μm,主要用于带动样品进行水平面方向扫描;Z方向谐振频率1.1 kHz,最大行程20μm,主要用于实现本设计的前馈式调平控制。
3 自动调平前馈控制技术
样品在放置时通常会与水平面存在一定的倾角,在扫描场较小,如10μm×10μm时,样品倾角1°对应的最大Z向位移差大概为0. 17μm。这对于具有2. 2μm行程的高速Z向扫描器而言,利用普通的反馈闭环控制[15]就可以将该位移偏差消除,剩下2. 03μm的位移区间仍然可以适用于大多数样品的跟踪成像。而当扫描场扩大到100μm×100μm时,同样为1°的样品倾角则会带来1.7μm的Z向位移差,这无疑使得对扫描器的控制将主要用于消除样品倾斜导致的位移差,而只剩下0.5μm位移余量用于跟踪样品表面形貌,这在高速扫描时将明显影响Z向扫描的工作效率。而且当样品表面高低起伏大于0.5μm时就会受扫描器行程限制而发生探针与样品相撞或脱离。图1所示的3个步进电机:一方面用来逼近探针与样品;另一方面可以通过分别控制3个电机对样品进行调平处理,但由于电机的空程影响,实际操作中很难将样品倾角调整至1°以下。
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