原子力顯微鏡減震降噪的升級改造

胡國文, 王光鵬

(1.蘭州大學 功能有機分子化學國家重點實驗室,蘭州 730000；2.中國科學院 青藏高原研究所 高寒生態學與生物多樣性重點實驗室,北京 100101)

0 引 言

原子力顯微鏡(Atomic force microscopy，AFM)是一種以物理學原理為基礎，通過掃描探針與樣品表面原子相互作用而成像的新型表面分析儀器。它屬于繼光學顯微鏡、電子顯微鏡之后的第3代顯微鏡。AFM通常利用一個很尖的探針對樣品掃描，探針固定在對探針與樣品表面作用力極敏感的微懸臂上。懸臂受力偏折會引起由激光源發出的激光束經懸臂反射后發生位移。檢測器接受反射光，最后接受信號經過計算機系統采集、處理、形成樣品表面形貌圖像。與掃描電鏡相比，掃描探針顯微鏡有分辨率更高、可對Z方向分辨、對樣品導電性無要求、常壓下甚至在液體環境下都可以良好工作等優點。同時，也有成像范圍太小、速度慢、受探頭的影響太大、由于測試樣品的開放環境而易受外界噪音、震動的影響等缺點[1-6]。

1 實 驗

1.1 噪音、震動對AFM的影響

按照噪音的頻率，可將噪聲分為：低頻噪聲(主頻率低于300 Hz)、中頻噪聲(主頻率在300～800 Hz)、高頻噪聲(主頻率高于800 Hz)。而AFM的核心部件是力的傳感器件, 包括微懸臂( Cantilever) 和黏附在其上面的針尖組成, 其主要受到低頻噪音的干擾[7-10]。隨著城市軌道交通網的建設，精密儀器使用場所所在的區域難免會有地鐵穿過。而相應的震動則會對儀器功能、精度等帶來影響，易出現信噪比低、精度差、重復性變差、準確度下降、甚至不能正常工作等問題[11-18]。如圖1所示，圖像中出現的突然條紋為常見的由震動或針尖不穩定等因素導致儀器不能成像的問題。因此如何降低儀器環境噪音、震動對儀器正常、準確、高效的工作有著非常重要的現實意義。

圖1 震動或針尖不穩定導致的無法成像

1.2 裝置研制

針對AFM易受外界噪音、震動影響的缺陷，選用Agilent5400型原子力顯微鏡為對象，利用隔音棉吸收部分環境噪音，通過彈簧懸掛來降低震動對該儀器造成的影響，最終設計并加工了屏蔽減震箱，將該儀器放置于屏蔽減震箱內，噪音水平明顯降低，儀器工作環境得到的較大的改善，分辨率有一定提升。

(1)材料。Agilent5400型原子力顯微鏡、隔音棉約3 m2、木板約3 m2、彈簧4根(60 cm)、加厚鐵板1塊(40 cm×40 cm)、膠水、合頁、螺絲，抽屜把手。

(2)制作。如圖2所示，用木板加工一個長寬高分別為0.5 m,0.5 m,1 m的箱體。在箱體內用膠水粘貼一層厚度約為2 cm的隔音棉，從而起到降噪的效果。在箱體內頂部自由懸掛4根彈簧，用于懸掛加厚鐵板，將Agilent5400型原子力顯微鏡居中放置于加厚鐵板上，從而起到減震效果。

圖2 屏蔽減震箱設計示意圖

2 結果與分析

(1) 改造前后實物圖。如圖3所示，改造前儀器成像主要部件如掃描頭、樣品盤、檢測器、光學顯微系統及支架只能放置于桌面上，從而受到周圍環境如臨街噪音、桌面震動、樓層震動的影響。改造后，可以將其核心部件放置于箱體內，利用隔音棉起到降噪，彈簧起到減震的效果。

改造前

改造后

(2) 減震降噪效果。通過將Agilent5400型AFM放置于屏蔽減震箱內，當外界桌面震動時，可以很明顯地發現箱體內儀器并未隨著桌面震動而晃動，從而在測試的過程中避免了隨機出現的比如桌面被碰撞而引起的跳針等儀器無法工作的情況，同時在平時儀器放置時，外界產生的震動也可能對儀器硬件帶來損傷。而將其放置于屏蔽減震箱內后，日常存放中也大大地增加儀器的安全性。表1顯示了改造前后不同時間點測量得到的噪音值，通過數據可以看出，將儀器放置于屏蔽減震箱后，噪音最大降低了20 dB，最小降低了15 dB，其環境噪音得到了一定程度的改善。

表1 不同次儀器改造前后噪音值

3 結 語

通過設計加工屏蔽減震箱，并將儀器放置于箱體內存放運行，一方面儀器日常存放遇到的震動可得到部分減少，有效保護了儀器并可避免一些不確定因素對儀器造成的損傷，同時也可以延長儀器部件壽命。同時其噪音也得到了明顯改善，有利于AFM這類精密儀器良好運行，獲取準確可靠的科研數據。 同時該減震屏蔽箱的設計思路也可以用來對其他一些精密儀器進行減震降噪，對于大型儀器的運行、維護、更好發揮測試功能有一定參考性。

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