Лабораторный стенд EDU-AFM1/M Атомно-силовой микроскоп

Стенд предназначен для образовательных, демонстрационных и учебных целей, включает всё оборудование и инструменты (компьютер не входит в комплект), а также подробное руководство для удобной сборки и использования;

Экспериментальная часть дает возможность:
· собрать атомно-силовой микроскоп;
· изучить фундаментальные силы, действующие между атомами на конце зонда и поверхностью образца;
· узнать больше о контроле движения с нанометровой точностью и явлении гистерезиса при использовании пьезоэлектрических приводов;
· разобраться в принципах различных методов сканирования, таких как режим постоянной высоты и постоянной силы.
Лабораторный стенд EDU-AFM1/M «Атомно-силовой микроскоп» включает все необходимые компоненты, позволяющие студентам самостоятельно собрать базовый атомно-силовой микроскоп в лаборатории. Эта учебная система позволяет участникам управлять установкой и настраивать её в процессе проведения экспериментов по сканированию одного из входящих в комплект образцов. Несмотря на то, что микроскоп не является прибором исследовательского класса, он обеспечивает достаточное разрешение для демонстрации физических принципов и технологий, используемых в атомно-силовой микроскопии. Микроскоп поддерживает сканирование в режимах постоянной высоты, постоянной силы и латеральной силой, а также запись кривых «сила-расстояние».

Помимо компонентов микроскопа, учебный комплект включает:
• Интуитивное программное обеспечение для управления микроскопом с ПК с операционной системой Windows;
• Калибровочный образец с микроструктурой;
• 10 зондов для контактного режима атомно-силового микроскопа;
• Образцы CD, DVD и Blu-Ray дисков;
• Подробное руководство с инструкциями по сборке микроскопа, теоретическим материалом и заданиями для студентов

Вместе эти особенности делают лабораторный стенд EDU-AFM1/M «Атомно-силовой микроскоп» универсальной, практико-ориентированной системой, идеально подходящей для знакомства студентов старших курсов с атомно-силовой микроскопией.
Для работы атомно-силового микроскопа требуется оптический стол, который не входит в комплект. Если в вашей лаборатории нет подходящей основы, мы рекомендуем использовать оптический стол с сотовым заполнением и демпфирующие опоры, которые можно приобрести отдельно. Не используйте стандартную алюминиевую плиту, поскольку она не обеспечивает достаточной виброизоляции для микроскопа.
Детали стенда:
Учебный и демонстрационный лабораторный стенд «Атомно-силовой микроскоп» разработан для использования в учебных аудиториях, лабораториях и других образовательных целях. Он включает в себя зонд, держатель образца на моторизованной платформе с замкнутым контуром позиционирования, и четырехсегментный фотодиодный детектор для измерения отклонения зонда, а также интуитивно понятное программное обеспечение для управления установкой.

Принцип работы

При измерениях с помощью атомно-силового микроскопа используется зонд, состоящий из гибкой консоли с нанометровым наконечником, который сканирует поверхность образца. На рисунке 1 показан принцип работы учебного атомно-силового микроскопа EDU-AFM1/M. Лазерное излучение подается от стационарного источника с длиной волны 635 нм, соединенного с системой через волоконно-оптический патч-корд. Свет проходит через коллиматор с регулируемым фокусным расстоянием. Коллиматор установлен на кинематическом держателе с возможностью регулировки по трём осям, что позволяет точно направить сфокусированный лазерный луч на поверхность консоли. Отражённый от консоли свет попадает в блок детектора, где снова фокусируется на поверхности четырёхсегментного фотодиода. Измеряемое напряжение на фотодиоде позволяет определить отклонение консоли — эта информация может быть использована напрямую для формирования изображения или задействована в системе обратной связи для управления высотой образца.

Платформа образца и консоль

В стенде EDU-AFM1/M зонд остается неподвижным, а образец перемещается под наконечником с помощью трёхосевой платформы с пьезоприводами в замкнутом контуре. Зонд закреплён в индивидуальном держателе, установленном на платформе, которая соединена с неподвижной частью трёхосевой платформы (см. Рисунок 2). Контроллеры KPC101 K-Cube® для пьезоэлектрических элементов и тензодатчиков управляют каждой осью платформы и измеряют отклонения пьезоэлементов. Эти модули обеспечивают точное позиционирование и стабильность по осям X и Y. Для управления по оси Z используется контроллер KPC101, подключённый к блоку автоматической юстировки KPA101 K-Cube Position Sensing Detector с цифровым сигнальным процессором (DSP), отслеживающим отклонение консоли (подробности ниже).

Сканирование и режимы измерений
Перед началом сканирования систему настраивают так, чтобы отражённый от консоли свет точно попадал в центр четырёхсегментного фотодиода. По мере сканирования, отклонение консоли вызывает смещение пятна на детекторе и изменение выходного напряжения. В зависимости от режима сканирования, это напряжение интерпретируется по-разному:

В режиме постоянной высоты напряжение используется напрямую в качестве данных о высоте. Программное обеспечение сопоставляет каждое значение напряжения с координатами XY на образце, формируя карту поверхности;
В режиме постоянной силы система настраивается так, чтобы сохранять отклонение консоли неизменным. Это достигается за счёт замкнутого контура обратной связи между фотодиодом, цифровым сигнальным процессором модуля автоматической юстировки KPA101 и контроллером оси Z. При изменении положения лазерного пятна фотодиод фиксирует сдвиг, цифровой сигнальный процессор рассчитывает необходимую корректировку по высоте, и платформа регулируется соответствующим образом. Полученная информация используется как данные о рельефе поверхности и совмещается с положением по осям X и Y.
Кроме этих двух режимов, стенд EDU-AFM1/M также позволяет измерять латеральные силы, действующие на консоль, и характер изменения силы, по мере приближения зонда к поверхности образца.
Основы атомно-силовой микроскопии:

Что такое атомно-силовая микроскопия?

Атомно-силовая микроскопия, являющаяся разновидностью сканирующей зондовой микроскопии, предоставляет увлекательные возможности заглянуть в мир структур, лежащих за пределами разрешающей способности оптических микроскопов, а значит — в мир наноструктур. Метод основан на сканировании поверхности при помощи тончайшего зонда, представляющего собой гибкий рычаг (кантилевер) с остриём радиусом менее 10 нм. Когда зонд взаимодействует с поверхностью образца, изгиб кантилевера фиксируется и по этим данным построчно строится рельеф поверхности.

Для корректной работы атомно-силового микроскопа, кантилевер должен соответствовать ряду требований. Он должен обладать низкой жесткостью пружины, чтобы можно было регистрировать даже слабые силы. При этом важна высокая резонансная частота, чтобы уменьшить влияние механических колебаний. Таким образом, кантилевер должен быть одновременно лёгким и миниатюрным.

В стенде EDU-AFM1/M лазерный луч фокусируется на кантилевер с помощью фокусирующей линзы с регулируемым фокусным расстоянием. Отражённый от кантилевера свет попадает на позиционно-чувствительный детектор (четырёхсегментный фотодиод). При сканировании, если высота поверхности изменяется, происходит отклонение кантилевера, и, соответственно, лазерного луча. Эти отклонения фиксируются и обрабатываются цифровым сигнальным процессором. В зависимости от выбранного режима сканирования (описаны ниже), отклонения, зафиксированные фотодиодом, могут использоваться либо как информация о высоте для построения карты поверхности, либо как сигнал обратной связи между цифровым сигнальным процессором и механизмом позиционирования по оси Z, поддерживающим образец. В последнем случае механизм по оси Z регулирует высоту образца так, чтобы изгиб кантилевера оставался постоянным (по данным с четырёхсегментного фотодиода), и изменения в положении образца по Z записываются, формируя карту поверхности.

Режимы измерения
Все режимы сканирования в атомно-силовом микроскопе основаны на взаимодействии зондового наконечника с поверхностью образца, однако в зависимости от режима исследуются разные аспекты этого взаимодействия. В целом, режимы работы делятся на две основные категории: контактные и динамические.

В контактных режимах наконечник кантилевера перемещается по поверхности образца, и измеряются изменения его изгиба. В динамических - наконечник вибрирует, и анализируются характеристики этих колебаний. Лабораторный стенд EDU-AFM1/M поддерживает только контактный режим, поэтому рассмотрим два его подтипа: режим постоянной высоты и режим постоянной силы.
Режим постоянной высоты

Режим постоянной высоты - самый простой способ сканирования, так как требует лишь измерения изгиба кантилевера. Расстояние между кантилевером и образцом остаётся неизменным, а зонд скользит по поверхности, как показано на рисунке 3. По величине изгиба строится карта рельефа поверхности.

Однако этот режим применим только к относительно ровным поверхностям. Если на образце есть глубокие неровности, зонд может потерять контакт с поверхностью или даже повредить кантилевер, либо сам образец.

Режим постоянной силы

В режиме постоянной силы (Рисунок 4) используется система обратной связи, которая регулирует высоту зонда или образца, чтобы изгиб кантилевера оставался постоянным. В стенде EDU-AFM1/M это реализовано с помощью четырёхсегментного фотодиода, измеряющего изгиб, а цифровой сигнальный процессор рассчитывает напряжение, подаваемое на пьезоэлемент по оси Z, чтобы сохранить постоянный изгиб.
Это управляющее напряжение записывается и используется для построения карты поверхности. Такой режим позволяет изучать более глубокие участки рельефа без потери контакта и с меньшим риском повреждений, так как сила, действующая на кантилевер, не меняется.

Измерение латеральных сил

При сканировании в режимах постоянной силы или высоты можно дополнительно фиксировать торсионный изгиб кантилевера. Это особенно важно при резких изменениях рельефа или трения, вызванного неоднородностью материала. Торсионный изгиб происходит в направлении, перпендикулярном основному изгибу, вызванному изменением высоты. Это позволяет разделить два сигнала. На рисунке 5 показана разница профилей при измерении латеральных сил.

Кривые сила-расстояние

Помимо картографии поверхности, атомно-силовой микроскоп может строить кривые "сила — расстояние", что особенно полезно в биохимии и биофизике. Эти кривые фиксируют изменение силы по мере приближения зонда к поверхности образца, что позволяет определять физические характеристики, например, модуль упругости.

При таком измерении образец сначала подводится к зондовому наконечнику, а затем отводится обратно. Кантилевер изгибается под действием взаимодействующих сил, как показано на рисунке 6, и этот изгиб записывается в зависимости от расстояния между зондом и образцом.
Упражнения:
После того как студенты соберут учебную модель атомно-силового микроскопа, они могут выполнить серию упражнений, описанных в руководстве, чтобы освоить различные методы сканирования и познакомиться с постобработкой данных.

Латеральная калибровка с использованием встроенной микроcтруктуры
Атомно-силовой микроскоп можно откалибровать с помощью входящего в комплект микрообразца, что позволяет повысить точность измерений. В процессе выполнения упражнений студенты научатся проверять и повторно проводить калибровку. Латеральная калибровка обеспечивает точную привязку координат каждой точки измерения по осям X и Y. Микрообразец специально разработан для этих целей и содержит элементы высотой 100 нм с шагом, варьирующимся от 5 до 10 мкм.

Упражнение 1.1: Измерьте структуру круга на микрообразце в окне сканирования 20 × 20 мкм в режиме постоянной силы, используя настройки калибровки по умолчанию. Повторите измерение с включённой и выключенной обратной связью по тензодатчику.
Упражнение 1.2: С помощью программы Gwyddion определите шаг структуры по осям X и Y, а также рассчитайте размеры элементов в процентах по сравнению с паспортными данными.
Упражнение 1.3: Введите данные калибровки из упражнения 1.2 в программное обеспечение EDU-AFM и повторно запишите изображение для проверки результатов калибровки.

Топография CD-, DVD- и Blu-Ray-дисков
В комплект входят образцы CD-, DVD- и Blu-Ray-дисков, извлечённые из производственного процесса до этапа нанесения защитного слоя. Это означает, что отштампованная поверхность доступна для сканирования. Студенты могут отсканировать каждый тип дисков, измерить особенности поверхности и сравнить плотность данных при различных методах кодирования.

Упражнение 2.1: Запишите изображение поверхности CD-диска в режиме постоянной силы.
Упражнение 2.2: Запишите изображение DVD-диска в режиме постоянной силы.
Упражнение 2.3: Запишите изображение Blu-Ray-диска в режиме постоянной силы.
Упражнение 2.4: Определите ширину дорожки, шаг дорожки, минимальную и максимальную длину питов для CD, DVD и Blu-Ray-дисков.
Упражнение 2.5: Определите глубину питов с помощью функции профилирования в Gwyddion. Сравните глубину питов для всех трёх типов дисков и объясните причины различий.
Упражнение 2.6: Рассчитайте максимальную ёмкость хранения данных CD-диска.

Измерение латеральной силы
Студенты учатся выполнять измерения латеральной силы с помощью атомно-силового микроскопа, используя микрообразец и человеческий волос.

Упражнение 3.1: Отсканируйте микрообразец в режиме постоянной высоты, записывая изображение латеральной силы в области сканирования 20 × 20 мкм. Проанализируйте профильные данные.
Упражнение 3.2.1: Запишите топографию человеческого волоса. Сканирование — в режиме постоянной силы.
Упражнение 3.2.2: Запишите изображение боковой силы для волоса в режиме постоянной высоты.

Измерения «сила – расстояние»
Этот блок упражнений знакомит студентов с методикой записи кривых «сила – расстояние». Такие кривые позволяют определять силы адгезии между наконечником и поверхностью образца, а также модуль упругости. Кроме того, можно вычислить жёсткость кантилевера.

Упражнение 4.1: Запишите кривую «сила – расстояние» (без увеличения) для микрообразца и определите положение покоя, момент захвата (snap-in) и отрыва (pull-off). Какие эффекты можно наблюдать?
Упражнение 5.1: Определите жёсткость кантилевера.
Упражнение 6.1: Запишите кривую «сила – расстояние» для различных образцов (например: нержавеющая сталь, пластик или резина). Отметьте наиболее интересные участки кривой.
Упражнение 6.2: Определите максимальную силу адгезии.
Упражнение 7.1: Сравните изгиб кантилевера при контакте с твёрдым (недеформируемым) образцом и с тем образцом, для которого вы хотите оценить модуль упругости.
Упражнение 7.2: На основе данных из упражнения 7.1 определите глубину изгиба кантилевера по сравнению с эталонным образцом и используйте эти данные для оценки модуля Юнга.

КОМПЛЕКТАЦИЯ

1) Лазер с резонатором Фабри-Перо, длина волны излучения 635 нм, мощность излучения 2.5 мВт, 1 шт.
2) Соединительный оптоволоконный кабель, одномодовое оптоволокно, 1 м, диапазон рабочих длин волн: 633 - 780 нм, 1 шт.
3) Оптоволоконный коллиматор, рабочая длина волны: 633 нм, фокус: 18.24 мм, числовая апертура: 0.15, 1 шт.
4) Кинематический держатель тонких оптических элементов Ø25.4 мм, 1 шт.
5) Тубус для крепления линз со стопорным кольцом, 1 шт.
6) Тубус с возможностью смещения оптических элементов Ø12.7 мм вдоль оптической оси без вращения, 1 шт.
7) Адаптер для цилиндрических компонентов Ø11 мм, 1 шт.
8) Плоско-выпуклая линза из стекла N-BK7, диаметр Ø12.7 мм, f = 50.0 мм, просветляющее покрытие: 350-700 нм, 1 шт.
9) Позиционно-чувствительный детектор на основе квадрантного фотодиода, диапазон рабочих длин волн: 400 - 1050 нм, 1 шт.
10) Автоматизированная система контроля смещения K-Cube, для работы с позиционно-чувствительными детекторами, источник питания не входит в комплект поставки, 1 шт.
11) Кинематический держатель с многоосной регулировкой положения элемента, число осей: 6, 1 шт.
12) Крышка с внешней резьбой для тубусов Ø12.7 мм, 1 шт.
13) Переходник с внешней резьбой и внутренней резьбой, толщина: 3.8 мм, 1 шт.
14) Тубус для крепления линз с одном стопорное кольцо, глубина резьбы: 25.4 мм, 1 шт.
15) Переходник для соединения компонентов, внешняя резьба, длина: 12.7 мм, 1 шт.
16) Тубус для крепления линз с одним стопорным кольцом, глубина резьбы: 12.7 мм, 2 шт.
17) Плоско-выпуклая линза из стекла N-BK7, диаметр Ø25.4 мм, f = 40.0 мм, просветляющее покрытие: 350-700 нм, 1 шт.
18) Светорассеиватель из матового стекла, Ø12.7 мм, 2 шт.
19) Тубус с внешней резьбой для регулировки положения оптических элементов Ø25.4 мм, макс. длина смещения: 7.9 мм, 1 шт.
20) Тубус для крепления линз с одним стопорным кольцом, глубина резьбы: 7.6 мм, 2 шт.
21) Опора с демпфированием, диаметр Ø38.1 мм, длина 203.2 мм, 1 шт.
22) Монтажный зажим 64 мм x 64 мм, 1 шт.
23) Адаптерная пластина, 1 шт.
24) Хомут для фиксации и регулировки высоты крепления элементов на стержне, 1 шт.
25) Многоосная платформа с 3 регулируемыми координатами, дифференциальными приводами и пьезоактуаторами с обратной связью, 1 шт.

27) USB концентратор для контроллеров и источник питания для 6 устройств серий K-или T-Cube, 1 шт.
28) Стандартный держатель волноводов, ширина: 35 мм, 1 шт.
29) Монтажный кронштейн, длина поверхности монтажа: 56 мм, 1 шт.
30) Монтажный блок, 1 шт.
31) Кинематическое основание 25 мм x 25 мм, 1 шт.
32) Держатель зонда, 2 шт.
33) Пинцет, 1 шт.
34) Образец калибровки: BudgetSensors HS-100MG, 1 шт.
35) Консоль с алюминиевым покрытием (коробка из 10 шт.), 1 уп.
36) SMA коаксиальный кабель, штекерный разъем SMA и штекерный разъем BNC, длина: 609 мм, 3 шт.
37) Цифровой микроскоп, 1 шт.
38) Экран, 1 шт.
39) Стержень с основанием для крепления прижимом, диаметр: 12 мм, длина: 29.7 мм, 1 шт.
40) Прижим для крепления миниатюрных стержней, 1 шт.
41) Блок для крепления элементов на стержнях под углом 16°, 1 шт.
42) Многофункциональное устройство ввода-вывода, 1 шт.
43) Кабель BNC, 3 шт.
44) Привинчивающиеся стяжки кабеля (15 шт.), 1 уп.
45) Кабель-канал, 1 шт.
46) Прижим для фиксации оптических рельс, 4 шт.
47) Образец CD диска, 1 шт.
48) Образец DVD диска, 1 шт.
49) Образец Blu-ray диска, 1 шт.
50) Линейка, 1 шт.
Лабораторный стенд поставляется в упаковочных кейсах с ложементом, методическим описанием, комплектом крепёжных элементов, набором для чистки оптики и инструментами.