Image courtesy: WITEC GmbH  

Delicate Sense of Touch

原子間力顕微鏡は、研究者や開発者に、多数の異なる鉱物、ポリマー、混合物、複合材料、生体組織からの極めて高い分解能のトポグラフィーデータを提供します。1980年代に開発されたこの技術は、サンプル表面のサブアトミックな分解画像を得ることができます。

その原理は非常にシンプルです:原子数個分の大きさまで先端が細くなった針を、検査したいサンプルの上に引き寄せます。針の一番外側の原子と、針に最も近い表面の原子との間には、原子間力が働きます。表面の力が針に与える影響をレーザ光学で測定しています。

ドイツのウルム市にあるWITec GmbHは、このようにして信号を得て、それをサンプルステージの制御に移すという原理を特殊な形で開発しました。常に同じ力が針にかかるように、Z位置を調整しています。そのため、ステージの位置によって表面形状の座標がすぐにわかるようになっており、サンプルステージはWITecの原子間力顕微鏡の心臓部ともいえる存在です。

最高の分解能とダイナミクスを備えたポジショニング

位置決めシステムが空間分解能を提供するため、サンプルスキャナの分解能はサブナノメートルの範囲でなければなりません。とりわけ、静電容量式センサを使用することで、狭小な仕様を実現しています。サンプルテーブルの機械設計はパラレルキネマティックです。スタック式に比べて、各軸の累積誤差がなく、はるかに高精度に軌道を駆動することができます。

同時に、トポグラフィをZ方向に速く動かすほど、X軸、Y軸の位置決めも速くなるため、高いダイナミクスが求められます。これにより、測定時間が短縮され、また、時間とともに増加する温度ドリフトの可能性も減少します。また、XとYで最大200μmの大きなスキャンレンジも重要なポイントです。

WITecの創設者でありマネージングディレクタであるオラフ ホリハー博士は次のように述べています:「非常に大きなスキャン範囲と高精度な静電容量式制御の組み合わせは、PIが当社にとって唯一無二のパートナーであることを意味します」。しかし、両社の理念が一致していることは、WITec設立当初からの協力関係を維持する上で大きなメリットです。

さらなる顕微鏡モダリティの統合

しかし、WITecのシステムにはそれ以上の機能があります:さらに2つの顕微鏡モダリティを、相関顕微鏡法という意味において原子間力顕微鏡と組み合わせ、一緒に表示することができます:ラマン顕微鏡と走査型近接場光顕微鏡(SNOM)です。共焦点ラマン顕微鏡がサンプルの化学成分を特定するのに対し、走査型近接場光顕微鏡(SNOM)は、回折限界を超える分解能の光学イメージングに用いられます。The basis for these extremely high-resolution methods is always the highly precise positioning of the specimen in all three axes of motion.

Key Role of the Scanning Stage

The piezo-based scanning stage plays a key role in specimen positioning. It is designed for travel ranges of 100 or 200 µm along the axes of the scanning plane and 30 µm in direction of the Z axis and allows position resolution better than 2 nm.

In addition, active guiding using capacitive sensors increases path fidelity: The sensors measure any deviations in the perpendicular axis to the direction of motion.

Any undesired crosstalk of the motion can thus be detected and actively compensated in real time. The digital electronics performing the appropriate control also operate at a high cycle rate. This is crucial for the precise assignment of the scanner's position values and the recording camera.

数え切れないほどの科学的分野で画期的な成果を上げる

法医学分析、半導体技術、材料科学、生命科学、医療技術など、数え切れないほどの分野で、原子間力顕微鏡とそのラマン顕微鏡やSNOMとの組み合わせが、画期的な洞察をもたらしています。

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