blueDrive光热激发器

—— 简单、稳定、可定量的轻敲模式

blueDrive简介

牛津仪器Asylum Research为Cypher原子力显微镜提供的blueDrive光热激发器,可使轻敲模式更简单、更稳定、定量更精准。轻敲模式是目前原子力显微镜领域应用最广泛的模式,不仅可测量形态,还可测量机械性能、电学性能、以及磁性等。通常情况下,探针悬臂采用压电驱动,虽然压电驱动因设计简单而备受青睐,但其悬臂响应的灵敏度却不理想。Asylum Research的blueDrive光热激发器能通过光热法直接激发悬臂,使悬臂响应的达到近乎完美的地步,从而大幅提高所有敲击模式的使用性能,并且使操作更简单。

工作原理

blueDrive以光热激发的方式驱动悬臂。简单来说,将用于激发的光束聚焦到悬臂的根部上,通过调整该激光的功率直接引起悬臂震动(如图1)。激发的主要机制是在臂杆的根部施以热导压力,而接近针尖部分的热量则可以忽略不计。

blueDrive通过改进Cypher原子力显微镜的模块设计,在标准的Cypher S或Cypher ES光路中插入一个带有蓝色激光器和相关光学及定位装置的紧凑模块。

蓝色激光的光点相对于主光点可独立定位,或者两者都可以关联SpotOn自动激光对准功能并进行移动。激光功率可根据驱动的要求调整,以便适应在空气中、水中或高粘度液体中进行操作。

图1 blueDrive示意图(左),实际的光学俯视图(右)显示激光点位置

简单、纯净的悬臂调整

理论上,原子力显微镜的频率响应非常简单,但在实际操作中,即使在空气中,压电驱动会在驱动探针的同时驱动AFM其它部机械部分共振,因此悬臂响应仍然扭曲明显,;在液体中,其他因素的影响更大,使得响应更差。

blueDrive只使用光,因而只会激发悬臂而不会影响原子力显微镜的其他机械部分,使得响应格外纯净(图2),由此可进行简单、可靠的自动悬臂调整,即使在液体中或其他富有挑战性的环境下也没问题。

图2:箭型UHFAuD的探针的共振响应,在空气中和水中以压电驱动和blueDrive方式进行测量。压电驱动的响应很不理想,而blueDrive的共振响应与热响应十分相符。

非常稳定的成像

压电驱动的悬臂响应不仅是扭曲的,而且会随时间变化。而Setpoint值和共振的变化是相关的,从而导致针尖和样本间的力发生变化。因此很难区分这种漂移是样品的真正的动力学过程还是误差。

blueDrive提供的直接激发可在很大程度上避免悬臂响应的漂移。成像的力在整个过程中保持稳定,而且完全处于可控状态。因此,即使长时间的稳定成像也无需重新调整振幅的设定值(图3)。相位响应同时也非常的稳定,使结果更加容易理解和分析。

图3:blueDrive对水中的方解石原子和台阶边缘进行持续数小时的无人为干扰的成像。由于blueDrive提供恒定的驱动力,原子分辨率的对比变化可归因于针尖尖端的轻微重排。有趣的是,针尖尖端的重排致使第二小时的成像分辨率更高,此时可观察到高分辨的原子点缺陷。

更精确的定量

轻敲模式中有多种模式需要对探针的响应、振幅以及相位进行定量的分析。

这其中包括纳米机械技术中非常有价值的AM-FM粘弹性成像、损耗因子成像以及接触共振粘弹性成像等。通常情况下,进行轻敲模式定量分析的前提都是假定探针有非常理想的共振响应。因此探针共振响应的质量及稳定性会极大影响由定量分析所得到的物理量的精确性。

blueDrive的悬臂响应十分纯净,并且与AM-FM以及接触共振理论一致。因此,探针的频率、相位和质量等参数都可以测量和追踪,其结果更精准,由此推导出的材料属性也更准确。

图4:使用blueDrive以AM-FM粘弹性成像对三元混合物进行15µm扫描成像,刚度数据已叠加在形貌图上。

技术参数:

  • 五档可调的blueDrive激光功率:0.1mW、0.3mW、1mW、3mW和10mW。
  • 驱动频率最高可达8MHz。
  • 带自动防故障安全锁的405nm激光器经FDA/IEC认证一类产品(无害)

 

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