(PhysOrg.com) -- Atomkraftsmikroskopet (AFM) är ett viktigt verktyg för ytmetrologi i nanoskala. Typiska AFM kartlägger lokala spets-yta-interaktioner genom att skanna en flexibel fribärande sond över en yta. De förlitar sig på skrymmande optisk avkänningsinstrument för att mäta sondens rörelse, vilket begränsar känsligheten, stabilitet, och mikroskopets noggrannhet, och utesluter användningen av sonder som är mycket mindre än ljusets våglängd.

Som rapporterats i Nanobokstäver , CNST-forskare har tillverkat en ny integrerad sensor som kombinerar en nanomekanisk fribärande sond med en nanofotonisk interferometer med hög känslighet på ett enda kiselchip. Genom att byta ut det skrymmande laserdetekteringssystemet kunde de bygga cantilevers storleksordningar mindre än de som används i konventionella AFM.

Eftersom var och en av dessa mindre strukturer har en effektiv massa mindre än ett pikogram, detekteringsbandbredden ökar dramatiskt, minskar systemets svarstid till några hundra nanosekunder.

Medan sondstyvheten hölls jämförbar med konventionella mikrokonsoler för att bibehålla hög mekanisk förstärkning (hur mycket spetsen rör sig när den känner av en kraftförändring), sondstorleken reducerades till bara 25 µm i längd, 260 nm i tjocklek, och endast 65 nm i bredd.

Avläsningen är baserad på "kavitetsoptomekanik", med sonden tillverkad intill ett optiskt hålrum för mikroskivor vid ett mellanrum på mindre än 100 nm. På grund av denna nära separation, ljus som cirkulerar inuti kaviteten påverkas starkt av rörelsen hos sondens spets.

Kaviteten har en hög optisk kvalitetsfaktor (Q), vilket betyder att ljuset gör tiotusentals rundor inuti hålrummet innan det läcker ut ur det, hela tiden samlar information om sondens position.

Kombinationen av liten sond-kavitetsseparation och högt Q ger enheten känslighet för sondrörelse vid mindre än 1 fm/√Hz, medan kaviteten kan känna av förändringar i sondposition med hög bandbredd.

Hela enheten är nanotillverkad som en enda, monolitisk enhet på en silikonwafer. Den är därför kompakt (chip-skala), självinriktad, och stabil.

Fiberoptiska vågledare kopplar ljus in i och ut ur sensorn, så att den enkelt kan kopplas till optiska standardkällor och detektorer.

Till sist, genom enkla ändringar av sondens geometri, sondspetsens mekanik kan variera mycket, möjliggör de olika kombinationerna av mekanisk förstärkning och bandbredd som behövs för en mängd olika AFM-applikationer.