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DIY低成本纳米级原子力显微镜

时间:2017-07-05 13:45来源:本站 作者:haodiy 点击:
显微镜可让我们看到肉眼无法观察的结构,实在是太棒了!光学显微镜能看到微米等级(1/1,000釐米)结构,然而原子力显微镜更可让我们看到奈米(1/1,000,000 釐米)

 

DIY低成本纳米级原子力显微镜

 

显微镜可让我们看到肉眼无法观察的结构,实在是太棒了!光学显微镜能看到微米等级(1/1,000毫米)结构,然而原子力显微镜更可让我们看到纳米(1/1,000,000毫米)结构。一般的原子力显微镜动辄数万至数十万美元,只有研究机构可以负担得起。我们希望透这次介绍,告诉大家如何利用身边的元器件,包括DVD Rom的激光头以及你手表里面哔哔叫的压电喇叭,来制作一套自己的纳米级原子力显微镜的的光机系统,材料价格不超过1000美元。传统原子力显微镜大多使用光杠杆原理,而教育型原子力显微镜使用像散式光路侦测探针位移,此教育型原子力显微镜由台湾中央研究院物理研究所胡恩德博士设计并制作。

 

第一步:材料与工具

组装原子力显微镜需要材料为:1.从DVD光驱上的激光头 2.压电喇叭 3.信号接头 4.精密螺丝 5.磁铁 6.电路板结构。 工具为:1.烙铁 2.焊锡 3.瞬间胶 4.AB胶 5.螺丝刀。耗材为:原子力显微镜探针(工作频率300k赫兹)。

 

DIY低成本纳米级原子力显微镜

 

 

 

DIY低成本纳米级原子力显微镜

 

 

 

DIY低成本纳米级原子力显微镜

 

 

第二步:组装原子力显微镜底座

这边由北京清华大学附属中学的国中学生来示范,如何自己动手组装原子力显微镜的光学机构系统。底座由4片电路板构成,组起来的结构件使用焊锡固定。

 

DIY低成本纳米级原子力显微镜

 

 

 

DIY低成本纳米级原子力显微镜

 

 

 

DIY低成本纳米级原子力显微镜

 

 

第三步:组装压电扫描器

扫描仪由三片电路板组成,焊接扫描仪结构后,并以AB胶将结构的四支脚固定在底座的四片压电喇叭上,并将第五片压电喇叭固定于扫描仪顶端,大部分的零件皆由焊锡固定

 

DIY低成本纳米级原子力显微镜

 

 

 

DIY低成本纳米级原子力显微镜

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第四步:组装光路头光路结构由五片电路板组成,首先将光路机构组装好,再将DVD激光头以瞬间胶固定于中央,并安装探针调整机构。之后将三个螺丝透过AB胶固定于光路机构。 
DIY低成本纳米级原子力显微镜
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DIY低成本纳米级原子力显微镜
DIY低成本纳米级原子力显微镜
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第五步:安装压电扫描器接头
扫描仪需要三个接口分别接收X、Y、Z三个方向的控制信号。安装信号接头后,并将五个压电喇叭透过电线连接至接头。
DIY低成本纳米级原子力显微镜
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第六步:组装被动式防震平台
最低限度的防震平台是保证显微镜量测精度的关键,好消息是这防震平台的材料随手可得:1. 自行车内胎(直径约10-18英寸) 2. 一块石头、铁块、或其他外形呈长方体的重物(重约3-10千克即可,长宽分别约20厘米和50厘米,厚度不限) 3. 为内胎充气的气泵。将一条自行车内胎充气,接着将石头放置于内胎上,此即为一简易的被动式防震平台。
DIY低成本纳米级原子力显微镜
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第七步:样品准备
低价原子力显微镜跟一般原子力显微镜一样,需要稍微准备一下样品。我们这边使用DVD与Blu-ray光盘(将保护层撕除)作为原子力显微镜系统测试样品,因为DVD数据轨道间距为740纳米,Blu-ray光盘数据轨道间距为320纳米。此外清华大学附属中学的国中生也很好奇想看看橡皮擦的纳米结构。仅需将样品裁切至大约1公分平方并在背面黏贴美工刀片,即可透过磁力吸在扫描仪上进行扫描。
DIY低成本纳米级原子力显微镜
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第八步:测试原子力显微镜
首先学生用自己组装的原子力显微镜装上探针扫描空白DVD光盘数据轨(结构间距740纳米),由影像可以得知,此原子力显微镜的扫描仪运作范围是X与Y方向各15微米。学生并将AFM量测到结果(右图)跟USB光学显微镜所得到的影像(左图)进行比对,光学显微镜看不到的数据轨纳米结构可由原子力显微镜轻易地得到。
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第九步:量测橡皮擦的表面
接着学生们对于日常使用的橡皮擦表面结构非常有兴趣,首先使用USB光学显微镜观察(左图),看到的结构不是很明显,而原子力显微镜可以清楚看到橡皮擦的表面结构凹凸不平非常粗糙(右图)。橡皮擦的量测范围是5x5微米。
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第十步:观察北京空气悬浮粒子
学生想挑战结构更小的空白Blu-ray光盘片数据轨,其间距为320纳米。由量测结果可看到密度更高的Blu-ray光盘数据轨,扫描范围为10x10微米。此外,我们可在数据轨上可以看到数个尺寸约1微米左右的颗粒,此即为北京漂浮在空气中的PM 2.5颗粒。
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