X轴分离式高速原子力显微镜系统设计

简介

为了提高原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)的成像速度，本文提出了一种新的AFM结构设计方案并搭建了相应的实验系统。在该方案中，Y、Z扫描器集成于测头内驱动探针进行慢轴扫描和形貌反馈；X扫描器与测头分离，驱动样品做快轴扫描。X扫描器采用高刚性的独立一维纳米位移台，能够承载尺寸和质量较大的样品高速往复运动而不易发生共振；同时Z扫描器的载荷实现最小化，固有频率得以显著提高。为了避免测头的扫描运动引起检测光束与探针相对位置的偏差，设计了一种随动式光杠杆光路；为了便于装卸探针以及精确调整激光在探针上的反射位置，设计了基于磁力的探针固定装置和相应的光路调节方案。对所搭建的AFM系统的初步测试结果表明，该系统在采用三角波驱动和简单PID控制算法的情况下，可搭载尺寸达数厘米且质量超过10 g的较大样品实现13μm×13μm范围50 Hz行频的高速成像。