跳到主要内容

话题

显微镜

显微镜

快速AFM扫描:实现闭环速度控制的收益

纳米定位专家队列队列在高速,高精度原子力显微镜(AFM)系统中为应用提供了一种支持技术的套件

队长舞台的照片
定位为创新:Queensgate的压电驱动的纳米定位阶段(上述),压电致动器和电容传感器提供用于尖端科学仪器的核心积木,用于各种光学,显微镜和计量领域。 (礼貌:Queensgate)

一个R.&d之间的协作 征兆,英国高精度纳米定位产品的制造商,以及科学家 国家物理实验室 (NPL)是英国的国家计量研究所,已经产生了实验结果,可能吸引下一代原子力显微镜(AFMS)和其他扫描探针显微镜(SPM)系统的商业利益。

在今年早些时候完成的概念证明学习中,通过NPL研究人员通过他们的步伐使得从征收 - 包括高速,压电驱动的纳米定位阶段和专有的闭环速度控制算法进行了概念性的研究。一系列实验,以评估它们对高速AFM扫描应用的潜在适用性。结果是引人注目的:可靠地捕获大面积,高质量的AFM图像,纳米空间分辨率 - 在几分钟内,而不是数小时或几天,以光栅扫描速度为0.5毫米/升到4毫米/秒。

虽然NPL和QUEensgate在几次以前的场合工作过,但最新的承诺通过了 恢复测量 (M4R)计划。该NPL-LED倡议由英国政府资助,旨在支持行业,从Covid-19的经济影响中恢复。 “M4R提供对尖端R的访问 &D,专业知识和设施,以帮助解决无法使用标准技术和技术解决无法解决的分析或测量问题,“爱德华群体,NPL的尺寸计量研究科学家解释说,他代表队长进行实验工作。 “最终,M4R的目的是帮助提高英国产业后大流行的生产力和竞争力。”

接受没有AFM妥协

要将NPL的研究进入上下文,首先是重申AFM的基本原理。这种强大的SPM模型使用UltraSharp Microfabricated Tip(通常是Si或Si3N4)附着在悬臂上以在非常高分辨率(取决于尖端的锐度)上以非常高的分辨率产生样品表面的地形图像。悬臂的偏转 - 作用在探针尖端和样品之间的原子尺度力 - 为样品成像和纳米读数的基础提供基础,因为尖端被扫描,并且靠近表面。以同样的方式,AFM还能够映射一系列机械表面参数(例如刚度,摩擦和粘附)以及纳米级上的化学,电气和磁性。

AFM data

尽管上面,但与AFM和其他SPM技术有关的非普通缺点。例如,慢测量速度意味着由于长时间的扫描时间(如果在高分辨率上成像到很多小时或几天),则降低样品吞吐量和麻烦的温度诱导的测量漂移。 “高速AFM的传统经验表明,扫描速度与[扫描区域]的范围之间存在权衡,”堆堆积。 “对于研究用户,将在测量吞吐量中看到扩展范围和增加的扫描速度的好处。最终转化为增强的生产力和更多出版的研究论文。“相同的微积分适用于工业r&D用户可以使用AFM用于半导体IC,量子纳米纳米模型或高级光学元件的质量控制和成像。

对于Queensgate的工程团队来说,NPL合作为闭环速度控制进行了一种机会,他们认为,他们认为,他们认为,他们认为传统上与高速AFM扫描相关联的系统级妥协。 “我们已经部署了闭环速度控制,以便为运动控制进行快速,准确的线性坡道,”邮政队列的铅软件工程师“Graham Bartlett解释说。 “M4R项目允许我们为AFM扫描应用程序评估这种能力,知道图像质量直接链接到我们的速度控制如何在保持恒定速度的死直线,线性运动方面。”

通过扩展,图像质量还提供了在无法维护准确控制速度之前可以快速驱动AFM阶段的可视指示器。 “如果您每隔几微秒拍摄AFM测量,并且您以恒定速度运行,您将在恒定的间隔和清晰的图像中获得这些测量,”Bartlett。 “如果您的AFM头速度不一致,您的测量不会均匀间隔,并且您将最终以偏斜或扭曲的图像。”

速度没有任何控制

在实验研究之前,堆积使用了Queensgate硬件来改造NPL的定制计量高速AFM(由英国布里斯托大学合作的仪器)。在细节方面,这意味着更换AFM现有的5×5 μm XY stage with a 征兆 NPS-XY-100阶段 (100×100μm范围)由a驱动 南京南阳载NPC-D-6330控制器 (提供位置和速度的闭环控制)。评估工作随后沿几个坐标进行,初始测试建立速度控制速度高达4 mm / s的光栅速率仍然足够精确 - 尽管光栅轴上的分辨率的渐进式降低也被视为扫描速度从0.5逐步逐步逐步逐步下降。 mm / s至4 mm / s。

Image of numbers

快速AFM扫描的相关问题是光栅线激发机械共振的每一端的快速加速和减速的程度。这种现象通常被称为“振铃”,被发现以更快的扫描速度放大 - 这又给出了用于图像采集的稍微较小的线性区域。然而,利用闭环控制和诸如凹口滤波的特征,纳米载体控制器可以在开环控制系统上显着降低这些效果。控制器还具有内置波形产生能力,包括S曲线加速度和减速轮廓,以进一步减少这种共振。

图像采集的细节也遭到审查,作为NPL项目的一部分。高速和较大扫描区域的组合显着简化了成像过程。用原件5×5μm压电阶段,具有NPL高速AFM的大面积成像需要粗糙定位器移动纳米定位阶段,以捕获随后缝合的一系列较小的图像“瓦片” - 一种慢速和繁琐的运动,影响聚集采集时间。相比之下,NPL结果显示了100×可以自行使用100μm压电阶段以捕获更大的图像,而使用速度控制的较高速度可提供大大减少的时间表。即使需要捕获较大的区域,它也意味着从粗糙定位器中的移动显着更少 - 对于NPS-XY-100阶段,另一个胜利。

在M4R协作之后,征求人士及其母公司希望直接与SPM界和超越的OEM合作伙伴分享实验结果。 “我们看到我们纳米定位阶段,控制电子产品和算法的实际潜力,以提供重大的AFM改善与速度,吞吐量和图像质量,”巴特特特总结道。 “还值得注意的是,这些相同的核心积木适用于使用共聚焦显微镜的3D活细胞成像等其他尖端应用。”

版权©2021由IOP Publishing Ltd和个人贡献者