Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Wzmacniacz do elektrometru w mikroskopie sił atomowych

ghost666 19 Maj 2018 17:32 1500 1
  • Wzmacniacz do elektrometru w mikroskopie sił atomowych
    Zespół naukowców z Hiszpanii i Francji zbudował nowatorski mikroskop sił atomowych. Wykorzystał w tym celu pomoc specjalistów z firmy Analog Devices. Najwiekszym problemem konstrukcji był pomiar niewielkiego prądu, generowanego przez efekt piezoelektryczny. Układ pomiarowy tego systemu oparty był o wzmacniacz transimpedancyjny - konwerter prąd -napięcie.

    Wyniki prac opublikowane zostały w artykule "Mapowanie ładunku generowanego przez efekt piezoelektryczny z wykorzystaniem bezpośredniej mikroskopii piezoelektrycznej", który ukazał się w prestiżowym czasopiśmie Nature Communications.

    Wzmacniacz do elektrometru w mikroskopie sił atomowych
    Rys.1. Schemat przedstawiający typowy wzmacniacz odwracający oparty o wzmacniacz operacyjny. Dla R1 = 0 układ pracuje jako wzmacniacz transimpedancyjny.


    Do pomiaru tak małych prądów, jakie obserwowane są w opisywanym systemie, nadaje się nie każdy wzmacniacz operacyjny. Jednym z nielicznych, które można zastosować w tej aplikacji, jest układ ADA4530 firmy Analog Devices. To co wyróżnia tego rodzaju elementy jest ultraniski prąd polaryzacji wejścia. Wejście skonstruowane jest w topologii elektrometru, który dodatkowo wyposażony jest w zamkniętą pętlę sprzężenia zwrotnego z opornikiem o rezystancji jednego teraohma(!) w konfiguracji transimpedancyjnej. Na wyjściu z tego układu dołączono wzmacniacz napięciowy - także skonfigurowany jako wzmacniacz odwracający, oparty na op-ampie AD8429 od Analog Devices. Dzięki temu możliwy był bezpośredni pomiar prądu generowano przez badane materiały piezoelektryczne.

    W pomiarach tak niskich prądów kluczowe było utrzymanie np. niskiej wilgotności otoczenia układu, by móc w stabilny i powtarzalny sposób mierzyć prąd generowany przez efekt piezoelektryczny.

    Wzmacniacz do elektrometru w mikroskopie sił atomowych




    Rys.2. Prąd (w fA) zmierzony w momencie skanowania materiału piezoelektrycznego. Zauważyć można antyrównoległe domeny ferromagnetyczne.


    Mikroskop sił atomowych (AFM) jest jednym z najbardziej uniwersalnych narzędzi do charakteryzacji materiałów. Z wykorzystaniem tej techniki można nie tylko po prostu obrazować kształty materiału (jego powierzchni), ale także badać inne jego własności - elektryczne, magnetyczne i termiczne. Ta uniwersalność sprawiła, że AFMy wykorzystywane są szeroko do pomiarów własności materii, a sam przemysł produkujący te urządzenia zarabia około 400 milionów dolarów rocznie.

    W opisywanym tutaj projekcie naukowcy skupili się na charakteryzacji własności piezoelektrycznych - pomiarze niewielkiego prądu, generowanego na skutek efektu piezoelektrycznego. Efekt ten objawia się generacją prądu elektrycznego na skutek naprężeń w materiale. W tym przypadku naprężenia wprowadzane były w materiał z pomocą niewielkich nanoskopowych igieł, naciskających próbkę. Przykładana przez igły siła to około 100 mikroniutonów. Powoduje ona wygenerowanie ładunku na poziomie od 5 femtokulombów dla np. niobku litu, poprzez 25 fC dla stopu bizmutu i żelaza aż do 90 fC dla stopy ołowiu, cyrkonu i tytanu.

    Tego rodzaju techniki pomiarowe są kluczowe dla rozwoju przyszłych technik charakteryzacji materiałów piezoelektrycznych, a także wielu innych systemów, gdzie zliczanie pojedynczych elektronów jest kluczowe.

    Wzmacniacz do elektrometru w mikroskopie sił atomowych
    Rys.3. Rysunek układu elektronicznego wykorzystanego w układzie pomiarowym z wzmacniaczem operacyjnym o ultra-niskim prądzie upływu.


    Wykorzystanie wzmacniacza operacyjnego o niskim prądzie polaryzacji i niewielkim prądzie upływu było kluczowe w pomiarze niewielkich prądów efektu piezoelektrycznego. Z uwagi na prąd upływu część prądu, jaki trafia na wejście op-ampa jest tracone. Dzięki temu, że ta część jest bardzo mała w wykorzystanym układzie, pozostałe nośniki mogą zostać wykryte i wzmocnione do poziomu mierzalnego klasycznymi instrumentami.

    Źródło: https://www.eeweb.com/profile/agomez/articles/femtoampere-input-bias-current-electrometer-amplifier-used-in-new-atomic-force-microscope


    Fajne!
  • #2 05 Cze 2018 23:41
    JanuszArtur
    Poziom 14  

    Czyli Conductive Mode z pomiarem tzw spektroskopii sił. Szkoda, że nie wiedziałem, że takie badania są potrzebne, bo z pewnością bym wykonał :)
    Do autora: własność to stan posiadania, materiały mają właściwości.
    Domeny magnetyczne obserwowałem setki razy, nawet na wikipedia pokazałem jak zmieniły się dyski twarde na przestrzeni kilku lat ale to co obrazują nie ma wiele z magnetyzmem wspólnego (?).