便携式原子力显微镜的创新原理和样机研发

In nearly the 30 years history, atomic force microscopes (AFM) has been advanced dramatically and applied in various fields of research for discovery and innovation. However, such a wonderful tool is far away from been widely used in general as optical microscope (OM) to make ever-bigger impacts in our life due to, at least, the instrument too expensive, bulky and finicky. It is a challenge and has become a new research direction to make AFM user-friendly, compact in size and low in cost. .In continuation of our success, this project intends to develop an inexpensive 3D-nano-positioning system that is small enough to fit into an objective lens of an OM， develop a micro-fabricated capacitive load sensing system with nano-newton resolution, and ultimately develop one kind of portable AFM that can be mounted on an OM, used with an OM in wide applications, and costs as low as an ordinary OM. The portable AFM is aim for the popularization and will provide a brand new tool to inspire millions of people to get into discovery and innovation.

作为重大创新技术的原子力显微镜自发明后的30年以来，得到了长足的发展与进步并广泛应用于基础科学研究。然而，由于其价格昂贵、体积庞大、结构复杂易坏，并没有像光学显微镜一样得到普及从而更大程度地改变我们的生活。因此，便于使用、小型化和低成本成了原子力显微镜的一个新的挑战和研究方向。.本项目将利用我们最近的研发成果，通过新原理的研究和创新设计，在低成本、可放入光学物镜壳内的小体积的三维纳米定位系统和基于微加工的具有纳牛级分辨率的电容测力系统方面进一步突破，最终研发一种可被广泛使用的小型便携式原子力显微镜样机。该便携式原子力显微镜填补该领域的空白，能够促进原子力显微镜向大众普及。本项目的工作为这种新工具提供理论和实践的基础。

科技发展正不断向微观尺度深入，原子力显微镜是开展微纳尺度基础科学研究的重要工具。当前的原子力显微镜技术由于存在价格昂贵、体积庞大、结构复杂易坏等问题，并未在广大科研院校以及国民经济活动中释放潜力。本项目围绕项目申请书，项目计划书开展相关工作。项目执行4年来，项目负责人带领团队人员，在已有工作的基础上，通过对新原理研究，创新性地提出了一种便携式结构设计，该结构具有体积小、结构简洁等优势。通过对核心器件的攻关，成功研制了具有亚纳米级高分辨率的力学传感器；设计了可放入光学物镜壳内的小体积三维位移放大机构；研制了兼具毫米级大量程和纳米级高精度的位移传感器。利用自主研发的核心器件，设计搭建了原子力显微镜测试系统，从力学方面验证了系统的实用性。该工作目前已被应用在材料摩擦研究领域。所研制的多个核心器件均有望在精密仪器领域发挥巨大作用。本工作为原子力显微镜领域的发展提供了新的实践基础，新的搭建思路。