好，好，好-没有震动!不友好环境中的原子缺陷解决

我一直在和AFMs的Cypher族因为Cypher S最初于2008年推出，所以有时我认为它的抗振动性是理所当然的。当然，我们可以在木桌上看到孤立的原子点缺陷——或者在MRS会议的展厅里，有几千名与会者在周围闲逛!不是每个人? ! ?

退一步说，关于分辨率和噪声抑制的问题在AFM中出现了很多。我认为有必要花点时间I)谈谈Cypher的特别之处，ii)提出振动免疫的演示，比让Cypher坐在木桌上等地震发生更科学。

设计注意事项

AFMs是机械仪器。它们是由能够扭曲形状的材料制成的，以响应外力——特别是声音和振动。这些畸变会引起噪声、漂移和尖端和/或样品表面的损坏。当我们在设计Cypher AFM的早期阶段时，我们想要制造一种显微镜，尽可能地不受这些外部振动的影响。为此，我们构建了几个原型，以探索提高仪器分辨率和稳定性的不同方法。特别是，我们试图确定外部振动的主要弱点。

如图1在右侧，我们将AFM分为三个独立的组件:(i)光学检测系统，(ii)悬臂梁和(iii)样品。我们试图回答的问题很简单:探测器和悬臂梁之间，探测器和样品之间，悬臂梁和样品之间，哪一个边界更容易受到外部振动噪声的影响?

图1所示。这里讨论AFM的三个基本组成部分:探测器(通常是光束偏转传感器)，悬臂和样品。

大多数AFMs中的悬臂探测系统是一种光束偏转系统，由悬臂背面的镜面、从该表面反射的激光和接收反射激光束的位置敏感探测器(PSD)组成。当悬臂弯曲时，位置敏感探测器上的光移动，这种运动被转换成电压，用于推断悬臂末端尖端的运动。悬臂梁作为与样品表面相互作用的尖锐尖端的载体。样品相对于探测器和悬臂进行三维扫描。

常规AFM系统的布置如图所示图2一个下面用悬臂和光学检测系统紧密耦合，通常内置于同一结构(一般称为“头”)。乍一看，这是一种非常自然和合理的安排，其中头部是一个简单的单元，将悬臂偏转转化为电压信号，用于操作显微镜和测量尖端-样品的相互作用。在我们的实验中，让我们最初感到惊讶的是，我们发现AFM力学中的薄弱环节位于悬臂梁和样品之间的边界。

为了尽量减少这一薄弱环节的影响，我们设计了一个具有两个独立平移阶段的系统:一个在悬臂梁和样品之间，一个在光学探测器和样品之间，如下图2b所示。这使得悬臂和样品之间的机械回路(振动灵敏度的主要来源)尽可能短而刚性，最大限度地减少尖端-样品结对振动的敏感性。第二级携带相对高质量的光学探测器，并将其与尖端-样品结隔离。

图2。一)常规AFMs的排列，包括大多数商用AFMs，其中光学探测器和悬臂梁在单个z-平移台上刚性耦合在一起(红色)。b)Cypher系列SPMs的双级排列，具有短而坚硬的悬臂级(蓝色)和单独的光学探测器级(红色)。

如图3中的射线光学图所示，我们可以通过使悬臂梁和样品之间的机械回路尽可能短且刚性来降低AFM对外部振动的灵敏度。在典型的AFM中，光学检测系统的质量明显大于悬臂梁的质量。因此，光学探测器更容易受到振动的影响。请注意，相对大质量光学探测器的任何振动运动都会引起尖端-样品力的波动。

当，比如图3一当光电探测器与悬臂梁耦合在一起，悬臂梁与样品接触时，样品与探测器-悬臂梁组合之间的振动运动δz被悬臂梁的弯曲放大，在光电探测器δVPSD处产生相对较大的信号。这种噪声是“真实的”，因为光学探测器的运动直接影响了悬臂压入表面的强度。

相反，如图所示图3 b， Cypher的悬臂-样品机械回路很小，非常坚硬。这提高了悬臂梁的抗振能力，悬臂梁-试样力相对稳定。同时，相对质量较大的光学探测器仍然会受到振动运动δz的影响。振动噪声引起的探测器运动改变了探测器与悬臂梁之间的距离。然而，这种运动只非常微弱地耦合到测量的悬臂挠度。

在Cypher中使用的双阶段方法图2 b确实需要额外的费用。这种方法需要两个平移阶段，而不是一个平移阶段用于接合和尖-样本距离的粗垂直控制。此外，两个翻译阶段需要紧密结合，一起移动。虽然这增加了工程上的挑战，但它提高了稳定性，为Cypher用户带来了丰厚的回报。

图3。简单的漫画，解释观察到的噪音改善。一)对于传统的AFM，其中悬臂和光学探测器耦合在一起(见图2a)，振动运动δz被光学杠杆放大，并导致在位置敏感探测器δV处产生大电压_PSD．b)在Cypher方法中，悬臂梁的振动敏感性通过非常坚硬的小机械环最小化。

实验:真实世界的表现

基于噪声抑制、表面噪声等，有许多方法来表征更好的性能。对于这个讨论，我认为一个更好更有趣的例子是在现实世界中，不友好的环境中观察Cypher的性能:在操作手套箱里受到相当嘈杂的泵的影响。为了测量Cypher的抗振性，我还选择了一个要求很高的样本:方解石中的点缺陷分辨率。然后，当我打开和关闭手套箱泵时，我观察了成像条件的变化。图4显示了实验设置，与Cypher安装在手套盒和加速度计的位置在桌面上。

图4(右)。一个身处不友好环境的塞弗人。在实验台上放置一个加速度计，用ARC控制器上的辅助输入测量加速度计的信号，同时用AFM对流体中的方解石表面成像。

图5下面显示了该设置的一些代表性数据，其中泵在扫描中途打开。在图像的第一部分，方解石表面是在泵关闭的情况下测量的。在图像中可以看到一对孤立的点缺陷(上面两个红圈)。在图像的一半，我打开泵，同时继续扫描。手套箱表上振动噪声水平的急剧增加在加速度计信号中清晰可见图5 b但在AFM图像中没有图5一个，图像质量没有明显变化，另一个原子点缺陷被成像(红圈，左下)。实验结果表明，Cypher平台具有良好的抗振性能。因此，我们真的可以在一张木桌或一个会议展厅里获得原子分辨率，更不用说在一个普通的实验室里了。

图5。一)方解石地形同时测量b)手套箱中的加速度计信号。扫描进行到一半时泵被打开，这在加速度计数据中清晰可见。在同时获得的AFM形貌图中可见孤立的缺陷(红色圈)。