Onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas hebben een atoomkrachtmicroscoop op een chip gemaakt, drastisch verkleinen van de grootte - en, Hopelijk, het prijskaartje van een hightech apparaat dat vaak wordt gebruikt om materiaaleigenschappen te karakteriseren.

"Een standaard atoomkrachtmicroscoop is een grote, omvangrijk instrument, met meerdere regelkringen, elektronica en versterkers, " zei Dr. Reza Moheimani, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de UT Dallas. "We zijn erin geslaagd om alle elektromechanische componenten te miniaturiseren tot een enkele kleine chip."

Moheimani en zijn collega's beschrijven hun prototype-apparaat in de uitgave van deze maand IEEE Journal of micro-elektromechanische systemen .

Een atomic force microscope (AFM) is een wetenschappelijk hulpmiddel dat wordt gebruikt om gedetailleerde driedimensionale afbeeldingen te maken van de oppervlakken van materialen, tot op nanometerschaal - dat is ongeveer op de schaal van individuele moleculen.

Het basisontwerp van de AFM bestaat uit een kleine cantilever, of arm, die aan een uiteinde een scherpe punt heeft. Terwijl het apparaat heen en weer scant over het oppervlak van een monster, of het monster beweegt eronder, de interactieve krachten tussen het monster en de punt zorgen ervoor dat de cantilever op en neer beweegt terwijl de punt de contouren van het oppervlak volgt. Die bewegingen worden vervolgens vertaald in een beeld.

"Een AFM is een microscoop die een oppervlak 'ziet' zoals een slechtziend persoon zou kunnen, door aan te raken. U kunt een resolutie krijgen die veel verder gaat dan wat een optische microscoop kan bereiken, " zei Moheimani, die de James Von Ehr Distinguished Chair in Wetenschap en Technologie bekleedt aan de Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science. "Het kan functies vastleggen die zeer, heel klein."

Het UT Dallas-team creëerde zijn prototype op de chip AFM met behulp van een micro-elektromechanische systemen (MEMS) -benadering.

"Een klassiek voorbeeld van MEMS-technologie zijn de versnellingsmeters en gyroscopen in smartphones, " zei Dr. Anthony Fowler, een onderzoekswetenschapper in Moheimani's Laboratory for Dynamics and Control of Nanosystems en een van de co-auteurs van het artikel. "Deze waren vroeger groot, duur, mechanische apparaten, maar met behulp van MEMS-technologie, versnellingsmeters zijn gekrompen tot een enkele chip, die voor slechts een paar dollar per stuk kan worden vervaardigd."

De op MEMS gebaseerde AFM is ongeveer 1 vierkante centimeter groot, of iets kleiner dan een dubbeltje. Het is bevestigd aan een kleine printplaat, ongeveer half zo groot als een creditcard, die schakelingen bevat, sensoren en andere geminiaturiseerde componenten die de beweging en andere aspecten van het apparaat regelen.

Conventionele AFM's werken in verschillende modi. Sommigen brengen de kenmerken van een monster in kaart door een constante kracht te handhaven terwijl de sondepunt over het oppervlak sleept, terwijl anderen dit doen door een constante afstand tussen de twee te bewaren. "Het probleem met het gebruik van een benadering met constante hoogte is dat de punt de hele tijd verschillende krachten op een monster uitoefent, die een monster kan beschadigen dat erg zacht is, "zei Fowler. "Of, als u een zeer hard oppervlak scant, je zou de punt kunnen verslijten, "

De op MEMS gebaseerde AFM werkt in "tapmodus, " wat betekent dat de cantilever en de punt loodrecht op het monster op en neer oscilleren, en de punt maakt afwisselend contact en komt vervolgens van het oppervlak. Terwijl de sonde heen en weer over een monstermateriaal beweegt, een feedbacklus handhaaft de hoogte van die oscillatie, uiteindelijk het creëren van een beeld.

"In de tikmodus, terwijl de oscillerende cantilever over de oppervlaktetopografie beweegt, de amplitude van de oscillatie wil veranderen als het interageert met het monster, " zei Dr. Mohammad Maroufi, een onderzoeksmedewerker in werktuigbouwkunde en co-auteur van het papier. "Dit apparaat creëert een beeld door de trillingsamplitude te behouden."

Omdat conventionele AFM's lasers en andere grote componenten nodig hebben om te werken, het gebruik ervan kan worden beperkt. Ze zijn ook duur.

"Een educatieve versie kan ongeveer $ 30 kosten, 000 of $40, 000, en een AFM op laboratoriumniveau kan $ 500 uitvoeren, 000 of meer, "Zei Moheimani. "Onze MEMS-benadering van AFM-ontwerp heeft het potentieel om de complexiteit en kosten van het instrument aanzienlijk te verminderen.

"Een van de aantrekkelijke aspecten van MEMS is dat je ze in massa kunt produceren, honderden of duizenden in één keer bouwen, dus de prijs van elke chip zou slechts een paar dollar zijn. Als resultaat, misschien kun je voor een paar duizend dollar het hele miniatuur AFM-systeem aanbieden."

Een kleiner formaat en prijskaartje zou ook het nut van de AFM's kunnen uitbreiden buiten de huidige wetenschappelijke toepassingen.

"Bijvoorbeeld, de halfgeleiderindustrie kan profiteren van deze kleine apparaten, met name bedrijven die de siliciumwafels vervaardigen waarvan computerchips worden gemaakt, " zei Moheimani. "Met onze technologie, je hebt misschien een reeks AFM's om het oppervlak van de wafel te karakteriseren om microfouten te vinden voordat het product wordt verzonden." Het laboratoriumprototype is een apparaat van de eerste generatie, Moheimani zei, en de groep werkt al aan manieren om de fabricage van het apparaat te verbeteren en te stroomlijnen.

"Dit is een van die technologieën waarbij, zoals ze zeggen, 'Als je het bouwt, zij zullen komen.' We verwachten veel toepassingen te vinden naarmate de technologie volwassener wordt, ' zei Moheimani.