Forskere udvikler integreret nanomekanisk sensor til atomkraftmikroskopi

(PhysOrg.com) -- Atomkraftmikroskopet (AFM) er et vigtigt værktøj til overflademetrologi på nanoskala. Typiske AFM'er kortlægger lokale spids-overflade-interaktioner ved at scanne en fleksibel cantilever-sonde over en overflade. De er afhængige af omfangsrig optisk sensing-instrumentering til at måle bevægelsen af ​​sonden, hvilket begrænser følsomheden, stabilitet, og mikroskopets nøjagtighed, og udelukker brugen af ​​sonder meget mindre end lysets bølgelængde.

Som rapporteret i Nano bogstaver , CNST-forskere har fremstillet en ny integreret sensor, der kombinerer en nanomekanisk cantilever-sonde med et højfølsomt nanofotonisk interferometer på en enkelt siliciumchip. Udskiftning af det voluminøse laserdetektionssystem gjorde det muligt for dem at bygge cantilevers størrelsesordener mindre end dem, der bruges i konventionelle AFM'er.

Fordi hver af disse mindre strukturer har en effektiv masse mindre end et pikogram, registreringsbåndbredden øges dramatisk, reducerer systemets responstid til et par hundrede nanosekunder.

Mens sondestivhed blev holdt sammenlignelig med konventionelle mikrokantillevere for at opretholde høj mekanisk forstærkning (hvor meget spidsen bevæger sig, når den registrerer en kraftændring), sondestørrelsen blev reduceret til kun 25 µm i længden, 260 nm i tykkelse, og kun 65 nm i bredden.

Udlæsning er baseret på "hulrumsoptomekanik", med sonden fremstillet ved siden af ​​et optisk hulrum på en mikrodisk med et mellemrum på mindre end 100 nm. På grund af denne tætte adskillelse, lys, der cirkulerer i hulrummet, er stærkt påvirket af bevægelsen af ​​sondespidsen.

Kaviteten har en høj optisk kvalitetsfaktor (Q), hvilket betyder, at lyset foretager titusindvis af rundrejser inde i hulrummet, før det siver ud af det, hele tiden akkumulerer information om sondens position.

Kombinationen af ​​lille sonde-hulrum adskillelse og høj Q giver enheden følsomhed over for sondebevægelse ved mindre end 1 fm/√Hz, mens hulrummet er i stand til at mærke ændringer i sondens position med høj båndbredde.

Hele enheden er nanofabrikeret som en enkelt, monolitisk enhed på en siliciumwafer. Den er derfor kompakt (chip-skala), selvjusterende, og stabil.

Fiberoptiske bølgeledere kobler lys ind og ud af sensoren, så det nemt kan forbindes med standard optiske kilder og detektorer.

Endelig, gennem simple ændringer af sondens geometri, probespidsens mekanik kan varieres meget, giver mulighed for de forskellige kombinationer af mekanisk forstærkning og båndbredde, der er nødvendige for en række AFM-applikationer.