编辑Leslie Langnau，总编辑
隔振和更好的扫描尺寸使原子力显微镜（AFMs）能够在纳米级上看到更多。
随着1986年的发展和1989年的商业化，原子力显微镜(AFM)是在纳米尺度上成像和测量材料和细胞的最重要的工具之一。AFM可以在原子水平上揭示样品的细节，分辨率可达到纳米级，AFM可用于一系列应用的成像，如定义表面表征、光刻、数据存储和操纵各种表面上的原子和纳米结构。
然而，随着分辨率不断从微米过渡到纳米，使用原子力显微镜进行更精确的隔振变得至关重要。原子力显微镜系统极易受到环境振动的影响。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。耦合到仪器机械结构中的任何振动都会导致垂直和水平噪声，并导致以最高分辨率进行测量的能力降低。纵轴对AFMs最敏感，但这些显微镜对X轴和Y轴的振动也相当敏感。
原子力显微镜使用一个尖头(探针)，其曲率半径在纳米级，连接在一个微小的悬臂末端，用于扫描样品表面，以成像其形貌和材料特性。当尖端接近样品表面时，尖端和表面之间的力导致悬臂梁的挠度。这种偏转通常是用激光束记录的，激光束从悬臂的顶部表面反射到光敏探测器。悬臂梁的合成位置变化允许AFM精确测量诸如机械、静电、磁力、化学和其他力的特性。这些特征显示在一个三维表面轮廓的样本(在X, Y和Z轴)——利用AFM能够提供比其他显微镜技术,如扫描电子显微镜(SEM),提供了一个二维的图像样本(在X和Y轴)。
扩展AFM能力和扫描范围
自从25年前第一台商用原子力显微镜问世以来，技术的进步提高了原子力显微镜的性能。其中一项进步扩大了AFM在水性缓冲液中成像生物样品的能力，并为样品提供了一系列物理数据。另一种方法提高了原子力显微镜的成像速度。与能够近实时扫描的扫描电子显微镜不同，五年前的传统原子力显微镜需要1到100分钟才能获得高分辨率图像。随着高速AFM系统的引入，成像速度比以前的AFM快三个数量级。
加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的原子力显微镜在其负刚度隔振平台上。
在过去的几年里，由加州大学圣巴巴拉分校物理系Paul Hansma研究小组进行的AFM设计研究已经证明了在扩大z轴范围的同时，在纳米尺度分辨率下的大规模样品AFM成像的成功。
为了在大尺度裂纹和深微裂纹所需的极端深度成像，AFM必须具有至少200微米的z范围和足够长的悬臂尖端来探测裂纹。然而，随着叶尖垂直运动的增加，产生振动的可能性增大。采用负刚度隔振技术解决了这一问题。
原子力显微镜隔振技术的改进
负刚度隔离器由负K技术开发并获得专利，在低频振动隔离中使用完全机械的概念，同时在多个方向实现高水平的隔离。
在负刚度隔振中，垂直运动隔振是由支撑重量负载的刚性弹簧与负刚度机构结合提供的。在不影响弹簧静力承载能力的情况下，使净垂直刚度非常低。与垂直运动隔振器串联的梁柱提供水平运动隔振。梁柱表现为弹簧结合负刚度机构。结果是一个紧凑的被动隔振器能够非常低的垂直和水平固有频率和非常高的内部结构频率。
隔离器提供0.5 Hz的垂直隔离性能，0.5 Hz的水平，使用一个完全被动的机械系统，不需要空气或电力。(*请注意，对于固有频率为0.5 Hz的隔振系统，隔振从约0.7 Hz开始，并随着振动频率的增加而改善。固有频率更常用来描述系统性能。
Hansma说：“对我们来说，关键因素是将真正的负弹簧常数系统与正弹簧常数结合起来，以实现有效且非常柔软的弹簧常数。”这使得负刚度隔振装置在垂直方向上具有非常低的振动频率，这对于原子力显微镜而言至关重要。”
这些图像显示了在原子力显微镜中使用负刚度隔振技术时的分辨率。1.这张图片是一个2.5μm宽的蝴蝶翅膀。2、这张照片是用加利福尼亚大学圣塔巴巴拉原子力显微镜拍摄的32英寸宽的蝴蝶翅膀。
负刚度隔离器在0.5 Hz下共振。在这个频率下几乎没有能量存在。在0.5 Hz处发现显著的振动是很不寻常的。频率在0.7 Hz以上的振动(负刚度隔振器开始隔离)会随着频率的增加而迅速衰减。
Hansma继续说道:“我们希望隔振在0.5 Hz，这可以通过负刚度工作台实现。”“这并不是因为这个频率的振动是最小的，而是因为在10或20赫兹的建筑共振中，0.5 Hz的抗振动强度是2赫兹的16倍，而在空气表中，谐振频率为2赫兹。”
空台作为隔振系统，垂直隔振效果有限，水平隔振效果较差。它们会使振动隔离问题变得更糟，因为它们的共振频率可以与地板振动相匹配。由于空表共振的固有频率，空表将在2至7赫兹的典型范围内放大而不是减少振动。所有的隔离器都会以其共振频率放大，然后开始隔离。有了空气表，在那个共振频率范围内的任何振动不仅不能被衰减，还可能被放大。
通过空气系统，负刚度隔离器的传递性得到了显著改善。传递率是相对于输入振动通过隔离器传递的振动的测量值。负刚度隔离器调整到0.5 Hz时，在2 Hz时达到93%的隔离效率；5赫兹时为99%；10赫兹时为99.7%。
这是一张250 μm宽的蝴蝶翅膀的图像，使用的是加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的AFM负刚度隔振。
Hansma解释说:“我们也考虑过在原型AFM中使用主动隔离系统。“我们和其中一些人进行了接触。但是，考虑到我们的系统的重量——它是一个相当重的设备，高达70磅——以及与我们的原型AFM设置相关的许多复杂性，我们不想增加主动反馈的复杂性，这是主动隔振系统固有的。”
主动隔振也被称为电子力抵消，它利用电子来感知运动，然后通过电子增加力来有效地抵消或防止运动。一些主动隔离系统可以开始隔离低至0.7 Hz。但是主动系统的动态范围是有限的，超过这个范围可能会导致隔离器进入正反馈并产生噪声。虽然主动隔振系统通常在共振时响应较低，但其传递率不像负刚度隔振器那样快速下降。由于主动系统隔离器依靠电力运行，它们可能会受到可用电力供应问题的负面影响。它们还会产生热量，在某些应用中可能会导致热漂移问题。
负刚度隔离器不需要电或压缩空气。没有马达、泵或腔室，也没有维护，因为没有什么可以磨损。它们纯粹是在被动的机械模式下运行。
扩展范围AFM
使用实验室的结合AFM和RPI技术的原型，并在其被动负刚度隔振系统的支持下，它已经能够实现超过1毫米的扫描范围，在z轴上比任何商业可用的AFM大一个数量级。
AFM/RPI系统也被证明能够以可接受的分辨率和线性度探索骨组织中断裂阻力超过1mm2的分子来源。
减K科技公司。
www.minsk.com
保罗医生Hansma
www.hansamalab.physics.ucsb.edu
了下:设计世界文章，机械的，冲击+振动控制•气体弹簧
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