原子力显微镜
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原子力显微镜

原子力显微镜(AFM)是扫描探针显微镜(SPM)模式中的一员,在尖锐针尖与样品表面之间,使用机械力、电学或者磁学相互作用来获得样品表面的图像。近年来,高精密的电子仪器及光学仪器的出现,促进了SPM向更加复杂的成像模式和更高时间分辨与空间分辨成像方向发展。针对不同的样品特性,把几种现有的成像模式综合在一起来获得样品表面的形貌像也日益受到了人们的广泛关注。此外,随着科研人员对研究样品在微小时间尺度上的相互作用越来越感兴趣,任意波形发生器(AWG)或者飞秒激光器结合AFM可以实现时间分辨的测量与成像。


悬臂梁探针与样品之间相互作用的微弱力转化为电信号后是一个比较微弱的电信号,如果要检测这种微弱的电信号,需要使用锁相放大器、信号平均器(BOXCAR)或者单光子计数技术等。在AFM的各种高级成像模式中,最常见的电学检测设备是宽频数字锁相放大器和信号平均器。Zurich Instruments提供了一系列不同规格的高精密微弱信号检测仪器如双通道锁相放大器(HF2、UHF)、BOXCAR均分器等,其均可以应用于AFM的高级成像。


HF2PLL用于恒振幅AFM模式
在这个AFM应用中,悬臂梁由可变振幅和可变频率信号在共振状态下驱动。由于悬臂梁与样品之间的相互作用,探测器的信号在振幅和相位上都会发生变化。为了保持悬臂梁处于共振状态下,采用高速锁相环(PLL)来跟踪相移,相对于感测信号而言,驱动信号施加90度的位移,而输出振幅通过一个快速的PID控制器来进行调节以便悬臂梁在恒定振幅下有读数。锁相环的频移信号是形貌的直接测量结果而耗散量是施加到悬臂梁保持震荡恒定的一个能量的直接测量,因此,静电力/磁力/化学/分子力的关系施加到悬臂梁上。

恒振幅模式可应用于接触/非接触AFM、KPFM、高速成像、动态力谱。


hf2_application_afm-ca.png


HF2PLL 横激励/恒驱动AFM模式
在这个AFM应用中,悬臂梁由恒定振幅和可变频率信号在共振状态下驱动。由于悬臂梁与样品之间的相互作用,探测器的信号在振幅和相位上都会发生变化。为了维持悬臂梁处于共振状态,采用高速锁相环(PLL)来跟踪相移,相对于感测信号而言,驱动信号施加了90度的位移。PLL的频移是形貌像的一种直接测量。

横激励/恒驱动模式可应用于接触/非接触AFM、KPFM、高速成像、动态力谱。


hf2_application_afm-ca_0.png


双频共振跟踪原子力显微镜(DFRT AFM)

由于多层薄膜和多铁性材料变得越来越薄,为了降低极化电压,可以采用共振增强测量的需求来增加灵敏性。虽然在固定低频信号的锁相测量适用于块体材料的应用,但是,对于机械或者静电激发的纳米机械响应可以在AFM传感器的接触共振处得到极大的提高。借助Zurich Instruments双通道锁相放大器,双模型激励、边带探测和振幅差的PID反馈可以同时完成平面内和平面外的组分测量。


DFRT方法描述

锁相放大器内部的PID控制器被用来调节共振频率附近的f1和f2频率的振幅差。振幅差的大小和符号可被用来计算误差信号,以便PID控制调节驱动频率(f1+f2)/2。


DFRT.png


在共振时,振幅A1和A2之间没有差别,从而也就没有误差信号产生。如果共振频率像上图中所示发生降低,那么A2'-A1'是负值而驱动频率降低。


LabOne软件中的DAQ Tab下的grid mode可以直接显示样品的振幅和相位像


LabOne-image.png DFRT-1.png

上图中显示了使用DFRT模式下的第四谐波响应测量纳米晶Sm掺杂氧化铈样品的振幅和相位像。


如下表格展示了Zurich Instruments仪器在AFM中的各种成像模式与所需要的选件。


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