Несколько лет назад пять школ Хабаровского края благодаря участию в конкурсной программе министерства Образования получили в распоряжение высокоточные приборы — учебные атомно-силовые микроскопы (АСМ) NT-MDT «Nanoeducator-II». Также такие микроскопы установлены в различных школах и университетах России. Данный микроскоп с помощью метода зондовой микроскопии позволяет с высокой точностью (с разрешением в несколько нанометров) производить исследование поверхности разнообразных объектов [1]. Для этого используются два основных узла прибора — прецизионный пьезокерамический сканер для перемещения объекта и зонд (в данном случае в виде заточенной методом электрохимического травления вольфрамовой «иглы»). Конструкция атомно-силового микроскопа представляет собой колебательную систему, поэтому любые внешние механические и акустические воздействия приводят к возникновению искажений на АСМ-изображениях. Для устранения этих помех применяют специальные виброизолирующие платформы [2], однако из стоимость достаточно высока для приобретения в рамках бюджета среднеобразовательной школы.
Цель данной работы — разработать и сконструировать платформу для виброизоляции АСМ из доступных и относительно дешевых материалов.
При работе АСМ, наблюдались проблемы возникновения помех при исследовании образцов [рис. 1]. Механические вибрации от пола, стола и т. д. не позволяли получить АСМ-изображения требуемого качества — на них появлялись так называемые артефакты в виде продольных полос, локальных «волн» и т. п. Поэтому было предложено решение о создании упругого подвеса для АСМ.
Было решено выбрать основанием конструкции платформу 50х50 см из толстой фанеры. На расстоянии 4см от краев конструкции, были просверлены отверстия в диаметре 8 мм для металлических опор. Металлические опоры были сделаны по 30см каждая и крепились с двух сторон платформы прорезиненными гайками, при этом вся конструкция стояла на них. Между платформой и гайкой одевались шайбы, что придавало жёсткости конструкции. К верхней части опор крепились одним концом упругие канаты. Чтобы канаты не изменяли свое положение в пространстве, они так же были закреплены с нижней стороны гайкой и шайбой. Другой стороной они были прикреплены к малой подвощённой платформе, размерами 25х25 см. На нее и ставился сам АСМ. Для изготовления малой опоры, так использовалась толстая фанера, и так же просверливались отверстая с таким же отступлением от краев как у основной. Перед использованием АСМ еще предстояло выровнять малую площадку так, чтобы она стала параллельно плоскости опоры. Это было сделано с помощью строительного уровня, либо специального приложения для телефона с гироскопом. Отклонение от нулевого положения не превышало 1 градус.
Рис. 1. АСМ-изображение тестовой решетки TGQ1, полученное без использования платформы
Поскольку частота колебаний головки зонда АСМ высока и находится в приделах от 5кГц до 20кГц, то резонанс могут вызывать частоты из этого диапазона частот. Но если АСМ поместить на упругий подвес или виброизолирующую платформу, то микроскоп будет подвергаться воздействиям резонансных частот системы. Эти частоты во много раз меньше и составляют примерно 5–10 Гц.
Было решено так же измерить величину резонансной частоты упругого подвеса. Для этого была взята формула (1), где k- коэффициент жесткости для упругих канатов или пружин, а m- масса системы вместе с АСМ.
(1)
В свою очередь для измерения жесткости был использован закон Гука (2) и поскольку тело находилось в покое, мы можем прировнять силу тяжести и силу упругости (3).
F = -k
(2)
mg = k(3)
Опыт показал, что при нагрузке в 18,85 H изменение длины составляем 1см. То есть k равняется 1885 H/м. Общий коэффициент жёсткости для нашего подвеса можно расточать по формуле(4), где 
— угол между опор и упругим канатом.
Kобщ = 4k
(4)
Если подставить формулу 4 вместо коэффициента в формуле 1, то получим выражение 5.
(5)
Подставив известные величины, а именно 
равный 0,6 и m,которая ровна 8,2кг, мы получи 
1/c. Если мы разделим результат на 2
, то получим значение частоты в 3,7 Гц.
Рис. 2. Схема (а) и внешний вид (б) виброизолирующей платформы для АСМ
Общая стоимость созданной платформы не превысила сумму в 2000 р. При этом конструкция является разборной, что позволяет хранить её в сложенном виде. Для проверки работы такой платформы была исследована тестовая решетка с использованием одинакового зонда и параметров сканирования, что и без платформы. Также было проведено сканирование дрожжевых клеток, полученных путем растворения в дистиллированной воде и высушивании на покровном стекле (рис. 3). Показано, что качество изображение значительно улучшилось, практически не наблюдаются искажения и артефакты на АСМ-изображении.
Рис. 3. АСМ-изображения тестовой решетки TGQ1 (а) и дрожжевых клеток (б), полученные с использованием платформы
Таким образом показано, что созданная конструкция виброизолирующей платформы хорошо справляется с функциями гашения механических волн.
Литература:
- Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. — Нижний Новгород: Институт физики микроструктур РАН, 2004. — 114 с.
- http://www.msht.ru/catalog/474/ — настольные антивибрационные платформы Halcyonics серии Nano
