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非接觸式原子力顯微鏡 (NC-AFM)

簡(jiǎn)介：

非接觸式原子力顯微鏡 (NC-AFM) 又稱動(dòng)態(tài)力顯微鏡 (DFM)，這是一種迄今為止在現(xiàn)實(shí)空間中達(dá)到最高顯微鏡分辨率（亞原子級(jí)）的 AFM 模式。大多數(shù) NC-AFM 應(yīng)用都是在超高真空 (UHV) 和/或低溫環(huán)境中進(jìn)行，以便利用高 Q 因子帶來的靈敏度。這對(duì)于短程力的測(cè)量或原子尺度上的成像非常重要。在相近的條件下，選用共振頻率跟蹤可以獲得比開環(huán)方法更快的響應(yīng)速度，并且還能實(shí)現(xiàn)定量共振增強(qiáng)。

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應(yīng)用描述測(cè)量方案相關(guān)產(chǎn)品

應(yīng)用描述

應(yīng)用介紹

為了獲得最佳NC-AFM 性能，從儀器的角度看，有三個(gè)方面需要考慮：

共振時(shí)最高的相位斜率與最高的靈敏度直接相關(guān)。

操作 NC-AFM 時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用高 Q 值諧振器（例如石英或 MEMS 傳感器），或者在真空環(huán)境中進(jìn)行以便限制固有損耗。

伺服回路中的電子器件在加速后要有良好的弛豫特性。

高 Q 值意味著諧振器的固有帶寬?。ㄅc f/2Q 成正比）。為了實(shí)現(xiàn)合理的像素停留時(shí)間，需要建立一個(gè)經(jīng)過優(yōu)化的鎖相環(huán) (PLL)，在速度和分辨率之間實(shí)現(xiàn)最合適的折中。這與輕敲模式即 AM-AFM 方法不同，后者的相位可以自由變化，并且幅度的衰減可以在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度內(nèi)完成。

線性化的系統(tǒng)可以進(jìn)行準(zhǔn)確的定量測(cè)量。

可以同時(shí)跟蹤相位和幅度，以提供更多有關(guān)耗散過程的信息。通過對(duì)共振進(jìn)行緊密跟蹤，我們就能確保幅度的測(cè)量一定是在共振峰值處進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)定量分析所需的最高響應(yīng)和恒定增益放大。

測(cè)量方案

測(cè)量策略

NC-AFM 通常又稱為調(diào)頻 AFM (FM-AFM)，原因在于針尖與樣品的相互作用會(huì)導(dǎo)致共振頻率發(fā)生消諧。由于 PLL 的存在，我們可以測(cè)量并跟蹤共振頻率的這種偏移，與此同時(shí)，自動(dòng)增益控制器 (AGC) 將保持幅度恒定。

針尖的振蕩反映的是針尖與樣品的相互作用以及諧振器穩(wěn)定可靠的振動(dòng)之間進(jìn)行卷積的結(jié)果：由于在動(dòng)態(tài)模式下靜態(tài)影響相互抵消，因此可觀察到的實(shí)際結(jié)果就是與共振頻率偏移直接相關(guān)的力梯度。振蕩的幅度和相位可以通過鎖相探測(cè)技術(shù)測(cè)量，并且送入兩個(gè)不同的 PID 環(huán)中。如圖所示，在 NC-AFM 中，PLL 和 AGC 將共同影響振蕩器的驅(qū)動(dòng)頻率以及輸出的激發(fā)電壓，從而形成為機(jī)械諧振器提供的驅(qū)動(dòng)信號(hào)（即實(shí)際的信號(hào)輸出）。這種方法也可以應(yīng)用于光機(jī)諧振器以及微/納機(jī)電系統(tǒng) (MEMS/NEMS)。

PLL 和 AGC 的作用是鎖定驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位，并將振蕩幅度保持在共振峰值處。這樣就可以使守恒過程與耗散過程相互分離，并保證定量測(cè)量得以順利進(jìn)行。MFLI、UHFLI 和 HF2LI 鎖相放大器都可以搭配 PLL/PID 選件，通過仿真工具確定特定目標(biāo)環(huán)路帶寬所適用的 P、I 和 D 值，以便對(duì)一個(gè)或多個(gè)反饋環(huán)進(jìn)行優(yōu)化。LabOne 控制軟件中的 PID Advisor 依賴的就是定量 DUT 傳遞函數(shù)模型。

掃描時(shí)，所有內(nèi)部信號(hào)（例如相位、振幅、頻率和激發(fā)電壓）都可以輸出到模擬 BNC，也可以通過 LabOne 數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 模塊或 LabOne API 進(jìn)行數(shù)字記錄。將行尾 (EOL) 觸發(fā)或快速掃描軸作為觸發(fā)信號(hào)送入儀器后，我們就可以對(duì)齊數(shù)據(jù)以形成圖像。這樣即使有多個(gè)本征模態(tài)或諧波，我們也可以同時(shí)采集多個(gè)圖像。

相關(guān)產(chǎn)品

相關(guān)產(chǎn)品: MFLI、UHFLI、HF2LI