高灵敏度原子力显微镜为感光材料开辟了道路

2021-10-10 08:40:50
来源:文章来源于网络

  原子力显微镜(AFM)将扫描隧道显微镜(获得诺贝尔物理学奖)的原子成像分辨率引入非导电表面。然而,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已经展示了如何克服这些限制,通过在兆赫频率下驱动几微米大小的悬臂梁,使其在液体中稳定可控,而无需将样品暴露在光线下

  AFM监测表面和连接到悬臂梁的尖端之间的力,以提取有关表面的信息形态和成分。通过在表面上振荡而不是拖动悬臂梁,可以从振幅或共振频率的变化推断与悬臂梁和尖端的相互作用强度,而不会损坏表面
  通常,压电致动器产生声波,驱动悬臂梁以其共振频率振荡。然而,这种方法往往会导致连接致动器和悬臂梁的装置部件对共振的错误贡献。这些影响在最敏感的悬臂梁上更大,悬臂梁很小,且具有较高的兆赫共振频率。替代方法有光热、静电或电致伸缩悬臂激发,但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,这些材料也有缺点。取而代之的是,金泽大学的Takeshi fukuma和他的同事们使用了磁激励。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定制它。然后,他们将交流电送入一个由直径为0.2 mm的金属丝缠绕在直径为3 mm的圆柱体上的小螺线管,从而施加交变磁场。尽管其他研究小组此前已经证明了磁激励驱动的动态原子力显微镜,这种方法再次遇到了小悬臂梁的问题。反馈回路处理电路延迟并补偿与频率相关的阻抗,因此设备覆盖较宽的频带,并且在高频下工作不太好。然而,研究人员设计了开环差动电路,其中复杂馈电线圈电压的频率与输入电压成正比,以证明其方法的适用性,他们在磷酸盐缓冲盐溶液中测量了各种定制悬臂梁的悬臂梁共振曲线和云母表面的原子尺度形貌,包括扫描隧道显微镜五年后的兆赫共振频率悬臂梁
  原子力显微镜、GERD Binnig、,卡尔文·奎特和克里斯托夫·格伯于1986年报道了第一张使用原子力显微镜拍摄的图像。该技术具有原子分辨率,可以通过测量作用于针尖和样品之间的许多力的总强度来生成图像,包括范德华力和静电力
  AFM使用悬臂梁,悬臂梁末端连接有一个小尖端。对于静态AFM,将尖端拖到表面上并测量悬臂挠度,或调整悬臂高度以保持恒定挠度。在动态原子力显微镜中,悬臂梁以其共振频率振荡,并用尖端撞击表面。尖端和表面之间的接触对样品几乎没有损坏。通过监测与表面的相互作用对悬臂振动振幅和频率的影响,除了压电驱动和光热悬臂激励之外,它还可以在非接触模式下进行高灵敏度成像,而不接触表面,静电和电致伸缩相互作用也可以通过在尖端和悬臂梁表面或两侧之间施加偏置电压来实现。然而,在许多用于盛装样品的液体中,这可能会导致不受控制的化学反应
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  闭环和开环差动电路
  当磁场激发悬臂梁中的振荡时,向电磁线圈提供电流的电路需要保持恒定的电流振幅。然而,电路的阻抗随着频率的增加而增加,因此需要更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。然而,该反馈回路在兆赫频率下变得不稳定
  而不是用于开环电路中,输入电压被馈入差分电路,差分电路返回与输入电压和频率(vconnel=I)ω成比例的复线圈电压,其中V是线圈电压,Vin是输入电压,ω通过这种方式,线圈电压将自动随频率缩放,以补偿与频率相关的阻抗变化。