Collaborative Research: Intentionally Nonlinear Design of High-frequency Atomic Force Microscopy for Enhanced Material Characterization

合作研究:用于增强材料表征的高频原子力显微镜的有意非线性设计

基本信息

项目摘要

Since its development in the early 1980s, atomic force microscopy (AFM) has been one of the most useful imaging tools in the fields of nano- and biosciences. This award supports theoretical and experimental studies of a new type of AFM realized through constructive use of intentional nonlinear resonance enabling the utilization of high-frequency measurements for sensing. Apart from proving the efficacy of the concept of constructive utilization of intentional nonlinearity in nano/micro designs to achieve performance not otherwise attainable, in a broader sense this project's approach can act as a testbed for assessing how strong nonlinearity incorporated into a complex mechanical system can lead to drastic performance gains. This work can be potentially transformative, since it can provide a new paradigm of intentionally nonlinear AFM technology based on higher-frequency sensing, with demonstrated capacity for drastically enhanced sensitivity and performance. The gained AFM sensing capability will be an incomparable tool in fields such as nano- and bio-sciences.Detailed analytical, computational and experimental studies will be performed of a new, microcantilever beam design enabling higher-frequency nonlinear AFM. Under dynamic mode operation an intentionally designed 1:n internal resonance between the two leading bending modes of the AFM microcantilever incorporating an inner Silicon paddle, leads to magnification of high-frequency harmonics in the paddle response, which is the basis for AFM of improved sensitivity. The research team will develop the significantly enhanced AFM measurements of sample material properties and topography, achieved through sensing of higher harmonics in the response. The research team will systematically study, optimize, extend and validate this promising concept through theoretical studies to characterize the paddle's response to different types of interaction forces, and will perform an extended series of experimental tests to assess the sensitivity of high-order internal resonance designs to changes in topology and material properties. Moreover, multi-paddle AFM designs incorporating multiple simultaneous internal resonances will be analyzed for quantitative characterization, whereas related microfabrication issues will also be addressed.
自1980年代初期的发展以来,原子力显微镜(AFM)一直是纳米和生物科学领域中最有用的成像工具之一。该奖项支持对一种新型AFM的理论和实验研究,该研究通过建设性使用故意的非线性共振实现,从而实现了高频测量的传感。除了证明对纳米/微型设计中有意识非线性的建设性利用概念的效力外,从其他方面的意义上讲,该项目的方法可以作为评估如何纳入复杂的机械系统中的强大非线性的测试型,可以导致剧烈的性能提高。这项工作可能具有潜在的变革性,因为它可以基于高频感应​​提供新的有意非线性AFM技术的范式,并显示出极大的灵敏度和性能的能力。获得的AFM传感能力将是诸如纳米和生物划分的领域中无与伦比的工具。将对具有更高频率非线性非线性AFM的新型微型验证器束设计进行确定的分析,计算和实验研究。在动态模式操作下,有意设计的1:n内部共振在融合了内部硅桨的AFM微型管理器的两个领先弯曲模式之间,导致桨式响应中高频谐波的放大,这是提高灵敏度的AFM的基础。研究团队将通过感知响应中较高的谐波来开发对样品材料特性和地形的显着增强的AFM测量。研究团队将通过理论研究系统地研究,优化,扩展和验证这一有希望的概念,以表征桨对不同类型的相互作用力的反应,并将执行一系列扩展的实验测试,以评估高阶内部共振设计对拓扑和材料特性的变化的敏感性。此外,将分析包含多个同时内部共振的多组AFM设计,以进行定量表征,而相关的微加工问题也将被解决。

项目成果

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