«Стандартный атомно-силовой микроскоп — это большой и громоздкий инструмент с множеством контуров управления, электроникой и усилителями», — сказал д-р Реза Мохеймани, профессор машиностроения в UT Dallas. «Нам удалось миниатюризировать все электромеханические компоненты на одном маленьком кристалле».Мохеймани и его коллеги описывают свой прототип устройства в выпуске журнала IEEE Journal of Microelectromechanical Systems за этот месяц.Атомно-силовой микроскоп (АСМ) — это научный инструмент, который используется для создания подробных трехмерных изображений поверхностей материалов вплоть до нанометрового масштаба, то есть примерно в масштабе отдельных молекул.
Базовая конструкция АСМ состоит из крошечного кантилевера или рычага с острым концом, прикрепленным к одному концу. Когда устройство сканирует взад и вперед по поверхности образца или образец движется под ним, силы взаимодействия между образцом и наконечником заставляют кантилевер перемещаться вверх и вниз, когда наконечник следует контурам поверхности. Затем эти движения переводятся в изображение.«АСМ — это микроскоп, который« видит »поверхность таким же образом, как если бы человек с ослабленным зрением мог прикоснуться к ней.
Вы можете получить разрешение, намного превосходящее то, что может достичь оптический микроскоп», — сказал Мохеймани, владеющий камерой Джеймса Вона. Ehr Заслуженный заведующий кафедрой науки и технологий Школы инженерии и информатики Эрика Йонссона. «Он может захватывать очень и очень маленькие особенности».Команда UT Dallas создала свой прототип АСМ на кристалле, используя подход микроэлектромеханических систем (MEMS).«Классическим примером технологии MEMS являются акселерометры и гироскопы, используемые в смартфонах», — сказал доктор Энтони Фаулер, научный сотрудник Лаборатории динамики и управления наносистемами Мохеймани и один из соавторов статьи. «Раньше это были большие, дорогие механические устройства, но с использованием технологии MEMS акселерометры сократились до одного чипа, который можно изготавливать всего за несколько долларов за штуку».
АСМ на основе МЭМС имеет размер около 1 квадратного сантиметра или чуть меньше десяти центов. Он прикреплен к небольшой печатной плате размером примерно в половину кредитной карты, которая содержит схемы, датчики и другие миниатюрные компоненты, управляющие движением и другими аспектами устройства.Обычные АСМ работают в разных режимах.
Некоторые отображают особенности образца, поддерживая постоянную силу, когда наконечник зонда движется по поверхности, в то время как другие делают это, поддерживая постоянное расстояние между ними. «Проблема с использованием подхода с постоянной высотой заключается в том, что наконечник постоянно прикладывает к образцу различные силы, что может повредить очень мягкий образец», — сказал Фаулер. «Или, если вы сканируете очень твердую поверхность, вы можете износить наконечник»,АСМ на основе МЭМС работает в «режиме постукивания», что означает, что кантилевер и игла колеблются вверх и вниз перпендикулярно образцу, а затем кончик поочередно соприкасается с поверхностью и отрывается от поверхности. Когда зонд движется вперед и назад по материалу образца, петля обратной связи поддерживает высоту этого колебания, в конечном итоге создавая изображение.
«В режиме постукивания, когда осциллирующий кантилевер перемещается по топографии поверхности, амплитуда колебаний изменяется при взаимодействии с образцом», — сказал доктор Мохаммад Маруфи, научный сотрудник в области машиностроения и соавтор статьи. «Это устройство создает изображение, поддерживая амплитуду колебаний».Поскольку для работы обычных AFM требуются лазеры и другие крупные компоненты, их использование может быть ограничено.
К тому же они дорогие.«Образовательная версия может стоить от 30 000 до 40 000 долларов, а AFM лабораторного уровня может стоить 500 000 долларов и более», — сказал Мохеймани. «Наш подход MEMS к проектированию AFM может значительно снизить сложность и стоимость прибора.«Одним из привлекательных аспектов МЭМС является то, что вы можете производить их массово, создавая сотни или тысячи из них за один выстрел, поэтому цена каждого чипа составит всего несколько долларов.
В результате вы можете предложить вся миниатюрная система AFM за несколько тысяч долларов ».Уменьшение размера и цены также может расширить полезность AFM за пределы современных научных приложений.«Например, полупроводниковая промышленность могла бы извлечь выгоду из этих небольших устройств, в частности компании, которые производят кремниевые пластины, из которых сделаны компьютерные микросхемы», — сказал Мохеймани. «С нашей технологией у вас может быть набор AFM для определения характеристик поверхности пластины и обнаружения микродефектов до отправки продукта».
По словам Мохеймани, лабораторный прототип представляет собой устройство первого поколения, и группа уже работает над способами улучшения и оптимизации производства устройства.«Это одна из тех технологий, где, как говорится,« если ты построишь, они придут ». Мы ожидаем найти множество приложений по мере развития технологии », — сказал Мохеймани.