Forskere udvikler alsidige optomekaniske sensorer til atomkraftmikroskopi

(Phys.org)—Forskere fra NIST Center for Nanoscale Science and Technology har udviklet on-chip optomekaniske sensorer til atomic force microscopy (AFM), der udvider rækken af ​​mekaniske egenskaber, der findes i kommercielle AFM cantilevers, potentielt muliggør brugen af ​​denne teknologi til at studere en bred vifte af fysiske systemer. AFM er et vigtigt værktøj til overflademetrologi, der måler lokale spids-overflade-interaktioner ved at scanne en fleksibel cantilever-sonde over en overflade, men det voluminøse optiske system med fri plads, der almindeligvis bruges til at registrere bevægelsen af ​​sonden, sætter grænser for værktøjets følsomhed og alsidighed.

Tidligere, NIST-holdet havde demonstreret en suppleant, chip-skala sensing platform med en mere alsidig udlæsningstilgang, hvor en nano-antilever-sonde blev integreret med interferometrisk bevægelsesdetektion leveret af en lav-tab optisk resonator, der kan kobles gennem fiberoptik til standard optiske kilder og detektorer. Denne tilgang opnåede bemærkelsesværdig forskydningsfølsomhed. I det tidligere arbejde, cantilever fjederkonstant, eller stivhed, blev fastsat til en moderat værdi; imidlertid, i andre applikationer, fjederkonstanten skal muligvis være meget mindre (til at studere bløde materialer eller ved svag kraftdetektering) eller meget større (til billeddannelse i høj opløsning). Ideelt set dette område af fjederkonstanter ville blive opnået uden at ofre forskydningsfølsomhed eller responstid.

I det nuværende arbejde, forfatterne viser, at geometrisk skalering af både udkragnings- og optiske resonatordimensioner kan muliggøre en variation i udkragningsfjederkonstanten med over fire størrelsesordener, lige fra enheder, der er ti gange blødere end det originale design, til enheder, der er tusind gange stivere. Vigtigt, disse cantilevere bevarer deres høje forskydningsfølsomhed og opnår målingsresponstider, der er hundredvis af gange hurtigere end kommercielle cantilevers med lignende fjederkonstanter. Fremtidigt arbejde vil fokusere på at integrere denne sensorplatform i et kommercielt AFM-system.