壓電掃描管掃描器在AFM原子力顯微鏡中的應用

背景

隨著納米科技的不斷發(fā)展，原子力顯微鏡由于其自身的諸多優(yōu)點被廣泛應用于微觀領域的觀測與操作，AFM等微納米級測量儀器已成為微納米研究工作者重要的科研工具。原子力顯微鏡的掃描精度在很大程度上取決于內(nèi)部壓電陶瓷管掃描器的性能以及壓電控制器的控制精度。

AFM原子力顯微鏡

AFM原子力顯微鏡原理

AFM原子力顯微鏡是由力學檢測系統(tǒng)、位置檢測部分、反饋系統(tǒng)三個部分組成，使用微小懸臂來感測針尖與樣品之間的交互作用，這種作用力會使得懸臂梁擺動，再利用激光將光照射在微懸臂梁的末端，當擺動形成時，會使反射光的位置改變而產(chǎn)生偏移量，此時激光檢測器會記錄此偏移量，也會把此時的信號給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當?shù)恼{(diào)整，zui后再將樣品的表面特性以影像的方式呈現(xiàn)出來。

AFM原理圖

壓電陶瓷管掃描器的作用

壓電陶瓷管掃描器載著樣品在X-Y平面內(nèi)做微小運動，樣品到針尖的距離會隨著樣品表面形貌的變化而變化，該距離的變化將改變樣品和針尖之間的原子力，原子力的變化會使得懸臂梁產(chǎn)生法相形變。

通過激光反射路徑的變化檢測出微懸臂梁的反向形變程度，相應調(diào)整Z向壓電陶瓷保證樣品和針尖的原子力保持恒定。

由此我們可以看出，實現(xiàn)X-Y-Z空間三個方向定位的壓電陶瓷管掃描器在工作過程中非常重要，他們的參數(shù)指標直接影響到整個原子力顯微鏡的掃描成像精度。

壓電陶瓷管掃描器結(jié)構(gòu)

壓電陶瓷管掃描器為徑向極化電極分割的壓電陶瓷管，通常采用四分區(qū)進行分割，可以實現(xiàn)XYZ三維運動。也可以根據(jù)客戶的要求定制進行多區(qū)域分割。

四分區(qū)壓電陶瓷管工作原理：

壓電陶瓷管掃描器為徑向極化壓電陶瓷，內(nèi)部為一個電極，外部四個，當對外部的某一個區(qū)域加載正電壓，該區(qū)域軸向收縮，相對另一側(cè)加載負電壓，該區(qū)域伸長，壓電陶瓷管會產(chǎn)生一個平移運動。當外部四個分區(qū)全部加載正電壓，壓電陶瓷管軸向收縮，當內(nèi)部加載滿幅值負電壓，壓電陶瓷管收縮到zui大位移。

壓電陶瓷尺寸、電極材料可選

芯明天可以提供多種尺寸結(jié)構(gòu)以及鎳或金等不同電極材料的壓電陶瓷管掃描器。

掃描范圍如何計算

壓電陶瓷管掃描器XYZ軸單側(cè)掃描范圍可以通過以下公式計算得出：

產(chǎn)品實例

我們?yōu)橛脩籼峁┑牟煌叽绲膲弘娞沾晒軖呙杵鳎瑵M足不同應用需求。

驅(qū)動控制方式

XY軸掃描運動：需要四通道分別對四個區(qū)域進行雙極性驅(qū)動。

Z軸掃描運動：需要對外部四個區(qū)域加載正電壓，內(nèi)部接地或者內(nèi)部加負電壓（內(nèi)壁不可以加正電壓）。

我們推薦采用我公司模塊化E01系列雙極性壓電控制器產(chǎn)品，具有模塊化組合，多通道輸出，分辨率高、紋波小等優(yōu)點，可以滿足AFM原子力顯微鏡對壓電陶瓷管掃描器高速、高分辨率的應用需求。

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壓電材料

用戶可以根據(jù)需求選擇不同的壓電陶瓷材料，目前zui常用的壓電陶瓷管選用的是PZT-5H材料，具體參數(shù)見下表：