高灵敏度原子力显微镜为感光材料开辟了道路

原子力显微镜(AFM)将扫描隧道显微镜的原子级成像分辨率(该技术获得了诺贝尔物理学奖)带到了非导电表面。但是，当尝试对液体中的光敏样品最敏感地使用该技术时，仍然存在局限性。现在，金泽大学的研究人员展示了如何克服这些限制，方法是以兆赫兹频率驱动几微米大小的悬臂，使其在液体中具有稳定性和可控性，并且不会将样品暴露在光下。

原子力显微镜监视表面和连接到悬臂的尖端之间的作用力，以提取有关表面形貌和成分的信息。通过在表面上振荡而不是拖动悬臂，可以从振荡幅度或共振频率的变化中推断出与悬臂和尖端的相互作用强度，而不会损坏表面。

通常，压电致动器会产生一个声波，该声波会驱动悬臂以其共振频率振荡。然而，这种方法易于导致将致动器连接到悬臂的装置的组件对共振的虚假贡献。这些影响对最灵敏的悬臂梁更大，这些悬臂梁很小并且具有很高的兆赫兹谐振频率。替代方法是光热，静电或电致伸缩悬臂梁激发，但是如果所研究的材料是光敏材料或保持在电化学活性液体中，则这些材料也有缺点。相反，金泽大学的福岛健(Takeshi Fukuma)及其同事采用了磁激励方法。

研究人员研究了如何使用三种悬臂制造方法来实现他们的方法，他们通过添加装饰有碳纳米级尖端的磁珠来对其进行定制。然后，他们通过向细小的螺线管中馈入交流电流来施加交变磁场，该细螺线管由直径为0.2毫米的导线缠绕在直径为3毫米的圆柱体上制成。

尽管其他小组先前已经证明了由磁激励驱动的动态原子力显微镜，但该方法再次遇到了小型悬臂梁的问题。所述反馈环路处理电路延迟和补偿频率相关的阻抗，从而使设备覆盖宽的频率带宽在高频不工作这么好。然而研究人员设计的开环微分电路，在一个复杂的饲料线圈电压的频率和输入电压成比例的。

为了证明他们的方法的适用性，他们测量了磷酸盐缓冲盐溶液中具有各种定制悬臂的悬臂共振曲线和云母表面的原子尺度形貌，这些悬臂包括具有兆赫兹共振频率的悬臂。

原子力显微镜

扫描隧道显微镜五年后，Gerd Binnig，Calvin Quate和Christoph Gerber于1986年报道了使用原子力显微镜的第一张图像。该技术具有原子级分辨率，并可以通过测量针尖和样品之间作用的许多力的总强度来生成图像，这些力包括范德华力和静电力。

AFM使用悬臂，悬臂末端附有一个小尖端。对于静态AFM，将尖端拖动到表面上，然后测量悬臂挠度，或者调节悬臂高度以保持恒定的挠度。在动态原子力显微镜中，悬臂以其共振频率振荡并用尖端敲击表面，尖端与表面之间的接触对样品的损害较小。通过监视与表面相互作用对悬臂振动的幅度和频率的影响，它能够进行高灵敏度成像，而完全不以非接触模式与表面接触。

除了压电致动和光热悬臂激发，还可以通过在悬臂的尖端与表面或两侧之间施加偏置电压来使用静电和电致伸缩相互作用。但是，在许多用于容纳样品的液体中，这可能导致不受控制的化学反应。

带微分电路的闭环与开环

当使用磁场激发悬臂中的振荡时，向螺线管线圈供应电流的电路需要保持恒定的电流幅度。然而，电路的阻抗随频率增加，因此需要较高的电压信号来保持恒定的电流幅度。这通常是通过反馈回路实现的，该回路将线圈电流转换为电压并将其与输入电压进行比较。但是，此反馈回路在兆赫兹频率下变得不稳定。

在开环电路中使用代替，输入电压被送入一个微分电路，它返回一个复杂的线圈电压是正比于输入电压和频率(V 线圈 = I ωV 在，其中V 线圈是线圈电压，V in是输入电压，ω是频率。)这样，线圈电压会自动随频率缩放，以补偿与频率有关的阻抗变化。

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