Danskudviklet mikroskop viser overflader i atom-skala

DTU-virksomhed har forbedret et atomic force mikroskop, så det blandt andet kan vise de mikrooptiske strukturer i lyslederkabler.

Forskere på DTU's virksomhed DFM - Dansk Fundamental Metrologi har stærkt forbedret et såkaldt atomic force mikroskop, så det nu kan udmåle et areal på 0,2 kvadratmillimeter med en højdenøjagtighed ned til en nanometer (0,000001 mm).

Mikroskopet kan blandt andet bruges til at kvalitetstjekke støbeforme til optiske linser eller i arbejdet med mikrooptiske strukturer i lyslederkabler.

Forbedringerne består blandt andet i tilføjelsen af et nyt XY-bor, så man nu kan undersøge en overflade, der er ti gange større end tidligere - 0,5 x 0,5 mm. Desuden har DFM tilføjet et laser-interformeter, som nøjagtigt kan måle nålens position og dermed give en meget nøjagtig måling af overfladens form.

På nogle overflader kan forskerne nu komme helt ned og måle i atomatisk skala. Et typisk atom har en diameter på en tredjedel nanometer. Den størrelsesorden kan ses med mikroskopet.

»Mikroskopet virker ved, at en skarp spids følger overfladens form med en konstant kraft, som ikke ødelægger overfladen og på den måde aftastes overfladens form, så man får et billede af overfladen,« forklarer ph.d. og videnskabelig medarbejder ved DFM, Jørgen Garnæs.

Der er en del databehandling i at få et billede fra mikroskopet. Det viste billede har taget 10-15 minutter at generere. Man kan også få profilbilleder af overflader, så højder og dybder tydeligt kan aflæses.

Bruges blandt andet til støbeforme

»Det forbedrede mikroskop kan benyttes til mange formål, blandt andet mikrooptiske strukturer, som ligger for enden af lyslederkapler,« siger Jørgen Garnæs.

Han vurderer, at mikroskopet er særligt relevant for danske virksomheder i forbindelse med for eksempel mikrolinser, ruhed af polerede overflader med høje krav til glathed, medicinsk plastikudstyr og nanoteknologiske komponenter.

En virksomhed, der har taget mikroskopet i brug, er Cemecon, der producerer hårde, slidstærke, rustbeskyttende og selvsmørende overfladebelægninger til f.eks. avancerede værktøjer, støbeforme og komponenter.

Virksomheden skal kunne dokumentere overfladernes kvalitet. Det er f.eks. et krav, når den belagte overflade er indersiden af en støbeform til optiske linser.

»Med dette mikroskop kan vi nu let dokumentere belægningernes glathed på en skala, som er relevant for de mest avancerede industrielle anvendelser,« siger kvalitets- og udviklingschef, ph.d. Niels Jørgen Mikkelsen, Cemecon.

Mikroskopet kan for eksempel vise, at bulerne på Cemecons overflade har en højde mindre end ca. 30 atomer, at ruheden er på ca. en nanometer, samt at overfladen er helt ensartet og lige så glat selv over et "makroskopisk" område på op til 0,2 kvadrat millimeter.

Dokumentation

DFM's hjemmeside

Webinar: simuleringsbaseret udvikling

Ingeniøren og Comsol afholder gratis webinar om simuleringsbaseret udvikling – et paradigmeskifte i udviklingsprocessen

Simulerings-apps flytter simuleringerne med rundt i hele udviklingsprocessen og er med til at frigøre virksomhedens innovationspotentiale. Tilmelding her.

Kommentarer (8)

Så vidt jeg ved eksisterer ordet "atomatisk" slet ikke. Korrekte ord ville være "atomar".
Ret mig endelig hvis jeg tager fejl.

Ang. artiklen så er det jo spændende nok, men kunne bare også være interessant, med nogle sammenligninger, prismæssigt og kvalitetmæssigt i forhold til lignende mikroskoper. Nogen der ved noget om dette?

  • 0
  • 0

Bare for at gøre det klart, så er AFM mikroskoper en teknik fra 1980 mener jeg, med nobelpris i '86. Der findes et utal af varianter idag, der kan måle elektriske felter, højder, kemiske interaktioner, i væske, med 1000 spidser på en gang osv osv.

Den ene nyhed her er et "bord" - ikke "bor" ... er en plade der kan flyttes med stor nøjagtighed. Almindeligvis bruger man en piezoelektrisk krystal udformet som et rør - på en måde der gør det muligt for røret at vride sig enten i x eller y retning. Her får man typisk 0.1 x 0.1 mm hvis man ellers vil give køb på opløsningen. Hvis DFMs AFM kan scanne 0.5 mm x 0.5 mm og samtidig holden en "tæt-ved" atomar opløsning er det ikke dårligt :-) - revolutionerende er det nok ikke.

Det andet er laser-interferometret, der kan bruges til at måle ændringer i afstand med stor præcision.
Jeg kan ikke gennemskue præcis hvordan det bruges udfra historien. Måsle bruges til at holde styr på præcis hvor AFM spidsen opholder sig i XY planen (hvor på prøven) - og det er bestemt noget man tit har brug for.

Det kan også være at selve udlæsningen af højden (Z) forskellene laves med interferometri, hvilket ikke er den normale måde at gøre det. Er det bedre? Almindelige AFM-mikroskoper kan måle ekstremt små højdeforskelle - også på "atomar" skala.

Alt i alt tror jeg at mikroskopets styrke er kombinationen af et stort areal og stor opløsning, for hverken opløsning eller arealet hver for sig er der noget nyt i. En anden ting er hastigheden: hvis man skal scanne med atomar opløsning over 0.5 x 0.5 mm skal der skannes meget hurtigt hvis ikke det skal tage en lille uge.

Men det er altsammen spekulationer.

Jeg kunne godt tænke mig at lokke Jørgen til selv at skrive præcis hvad det er det drejer sig om. Jeg kender manden og ved at han ikke ville rykke ud med en "nyhed" der ikke var noget.

  • 0
  • 0

Hej Peter

Tak for dit indlæg!

Mikroskopets styrke er – som du skriver - kombinationen af et stort skanne areal og nøjagtig udmåling af prøvens dimensioner. Så vidt jeg ved findes der ikke noget tilsvarende i Skandinavien, men det tyske institut for metrologi (der er en slags ”storebror” i Europa) har noget tilsvarende.

Mikroskopet er særligt velegnet til at undersøge mere anvendelsesorienterede prøver og at udmåle gitterperioder meget nøjagtigt men også fundamentale studer af fotoniske strukturer et område mikroskopet kan bidrages til. Udmåling af gitterperioder er nok en speciel disciplin, men faktisk meget relevant for netop nogle danske virksomheder der fremstille mikrooptiske komponenter, f.eks. fasemasker, halvleder lasere mm.

Mht. hvad der præcist måles som du spørger om: Interferometer bruges til at holde styr på præcis hvor AFM spidsen opholder sig i XY planen. Helt præcist har vi integreret et interferometer der måler positionen af spidsen langs x-aksens retning. Højdemålingen (Z-retningen) foregår ved hjælp af en kapacitiv afstandssensor og er i forvejen mere nøjagtig en de fleste andre AFM mikroskoper.

Lidt mere teknisk: Vi har monteret et lille bord på AFM’et, som giver bevægelser over 0,5 mm x 0,5 mm med nanometer nøjagtighed. På bordet er der monteret et spejl, som altså følger bordets bevægelse. Ved hjælp af et laser interferometer måles spejlpositionen flere tusind gange per sekund mens bordet scanner måleemnet under AFM spidsen.

Kombination af spidsens højde og spejlpositionen leverer data om emnets overflade topografi. At udmåle overfladestrukturens dimensioner med en laser er den ultimativt nøjagtigste metode, idet den anvendte frekvensstabiliserede laser er direkte sporbar til realiseringen af meteren.

At optage en enkelt profil på 0,5 mm tager nogle få minutter. At optage et helt billede på 0,5 mm x 0,5 mm i en høj opløsning kan tage flere dage og generere > 100 MB information. Det er dog normalt ikke nødvendigt at kende et område i så helt ekstremt store detaljer for at kunne kunkludere videnskbeligt eller teknisk. En kombination af mindre skanneområder og profiler er normalt tilstrækkeligt.

Med venlig hilsen

Jørgen

  • 0
  • 0

Pris og kvalitet for overflademålinger er et stort område. En ultra kort sammenfatning er:

Et atomic force mikroskop – som det i artiklen beskrevne - er godt til at udmåle højder og afstande, det kan anvendes på store emner og ødelægger ikke prøven. Opløsningen er bedre end en nanometer i højden og ned til ca. en nanometer i planet (X,Y retningen). Mikroskoper kan typisk erhverves for 0,5 til 1 Mkr.

Sammenlignet med AFM mikroskoper giver lys mikroskop normalt ikke en god information om højdevariationer af en overflade og opløsningen i planet er begrænset af lysets bølgelængde til af størrelsesordenen 0,3 mikrometer. Mikroskoper kan erhverves for 50 Kkr. og opefter og er ultra nemt at betjene.

Sammenlignet med AFM giver skanning elektronmikroskoper normalt heller ikke en god information om højdevariationer på en overflade; opløsningen i planet kan presses ned til omkring en nanometer. Elektronmikroskopi fungere ikke altid optimalt på ikke ledene prøver og på en nanometerskala kan elektronstrålen forurene overfladen. Kemisk information kan uddrages. Typiske priser er på et par millioner og opefter.

  • 0
  • 0

Ikke noget galt med artiklen - men de bliver somme tider endnu bedre hvis man lige får lusket dem forbi kilden, i dette tilfælde Jørgen Garnæs. Ingeniører er jo rent ud sagt hysteriske med præcision.

  • 0
  • 0