利用Atomic-Force Microscope(AFM,原子力显微镜)捕捉原子级别处理过程的实时影像

作者:Dave Wilson,学术营销总监,美国国家仪器公司

原子力显微镜(AFM)是唯一的一种能够在空气、真空或者两者间缓冲环境下提供亚纳米级别分辨率影像的一种显微技术。这个强大的显微镜技术能够帮助研究人员观察原子,获取前所未有的原子级别的影响,帮助研究人员探究纳米世界。尽管AFM是一个功能强大的仪器。但是机械条件的限制和探针与样本交互的问题已经限制了这个仪器在静态或准静态条件下使用。速度和精确度的提高使AFM具有通过实时视频影像观察纳米级的处理过程的能力,允许AFM能够被应用到科学研究和工程应用中,从半导体制造到分子生物学。

来自MIT(美国麻省理工学院)的Iman Soltani Bozchalooi, A.C. Houck和K. Youcef-Toumi已经从一些方面提升了AFM操作的性能,例如控制、信号处理、数据获取和处理以及仪器的机械化设计。他们提升的LRVR(宽范围,高视频速率)AFM技术能够实时的生成纳米级处理过程的视频流影像。LRVR AFM使用五个精确控制的压电纳米定位器,激光偏转传感系统,高速控制系统,同步数据记录和图像处理平台。LRVR AFM的X、Y坐标机械部件使用同轴的压电制动器(分别满足慢速宽范围和高速小范围的粗略和精细的位移测量)在扫描了几百微米的范围后获得纳米级分辨率的图像。这个系统具有横向120µm 和水平7µm的测量范围,水平100khz和横向10khz的测量频率,是世界上测量范围最广,高速度的原子力显微镜(AFM)。

LRVR AFM的成像和控制功能是基于美国国家仪器公司的PXIe(PXI扩展)仪表,使用LabVIEW和LabVIEW FPGA工具进行编程设计。NI公司的PXIe产品线使用多个FPGA生产出一个高速控制器,实现高速处理和预留出专用的I/O接口,以及实现高速数据获取功能。PCIe平台的丰富特性帮助研究人员满足他们的研究需要。

利用LabVIEW软件的抽象设计的优点,高层次图形化编程环境帮助研究人员将更多的经历集中到更具挑战的工程开发部分。使用FPGA通过文本编程环境例如VHDL语言实现LRVR AFM复杂的控制功能将会是开发工作和测试非常的困难,产生一些不必要的麻烦。LabVIEW无缝融合了其他的编程开发环境,例如MATLAB软件和C语言,这使得研究人员将他们在各种各样的编程环境下的专业知识集中到统一的LabVIEW平台上进行开发研究。

这个控制系统采用NI PXIe-1085 18-Slot 3U PXI Express 作为底架,搭载NI PXIe-7966R NI FlexRIO FPGA 模块,采用赛灵思Virtex-5 FPGA芯片。这个系统也使用了NI 5781 Baseband 收发器来调节探针样本的接触强度,通过PID控制器校正命令信号来驱动两个独立的水平方向的压电制动器,采用了高阶无限脉冲响应(IIR)过滤器获取和传输行同步和场同步信号,随着激光偏转和PID命令信号不断传输给PXIe控制器就会产生视频影像。NI 7851R FPGA模块(同样是基于赛灵思Virtex-5 FPGA芯片)控制一个步进电机来控制探针和样本的接触,驱动横向的压电制动器扫描样本,校正横向扫描信号,避免扫描仪的动态错误触发。

在八月出举办的NI Week大会期间,在NI 工程影响力颁奖仪式上,这项工程获得了高级研究工程分类领域里的最佳工程奖励。

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