Atomic force microscopy (AFM) gav den atomära skalans bildupplösning för skanningstunnelmikroskopi, en teknik som vann Nobelpriset i fysik, till icke ledande ytor. Dock, begränsningar kvarstår när man försöker använda tekniken på sitt mest känsliga med fotokänsliga prover i vätskor. Nu visar forskare vid Kanazawa University hur man kan övervinna dessa begränsningar, genom att köra en cantilever några mikrometer i storlek vid megahertz -frekvenser med stabilitet och kontroll i vätska och utan att potentiellt utsätta provet för ljus.

Atomkraftsmikroskop övervakar krafterna som spelas mellan en yta och en spets fäst vid en fribärande för att extrahera information om ytopografi och sammansättning. Genom att svänga fribäraren över ytan istället för att dra den kan styrkan i interaktioner med fribärning och spets härledas från förändringar i oscillationsamplituden eller resonansfrekvensen utan att skada ytan.

Vanligtvis genererar en piezo -manöverdon en akustisk våg som driver cantilever att svänga vid sin resonansfrekvens. Dock, detta tillvägagångssätt är benäget för falska bidrag till resonansen från komponenterna i anordningen som länkar manöverdonet till fribäraren. Effekten av dessa effekter är större för de mest känsliga cantileversna, som är små och har höga megahertz -resonansfrekvenser. Alternativ är fototermiska, elektrostatisk eller elektrostriktiv cantilever -excitation, men om det undersökta materialet är ljuskänsligt eller förvaras i en elektrokemiskt aktiv vätska, även dessa har nackdelar. Istället följde Takeshi Fukuma och kollegor vid Kanazawa University upp med en magnetisk exciteringsmetod.

Forskarna undersökte hur man implementerar sitt tillvägagångssätt med tre fabrikat av cantilever, som de anpassade genom att lägga till en magnetpärla dekorerad med en kol nanoskala spets. De applicerade sedan ett växlande magnetfält genom att mata in en växelström till en liten solenoid gjord av en tråd med en diameter på 0,2 mm runt en cylinder med en diameter på 3 mm.

Även om andra grupper tidigare har visat dynamisk AFM som drivs av magnetisk excitation, tillvägagångssättet stöter återigen på problem för små cantilevers. Återkopplingsslingan för att hantera kretsfördröjningen och kompensera för den frekvensberoende impedansen så att enheten täcker en bred frekvensbandbredd fungerar inte så bra vid höga frekvenser. I stället utformade forskarna en öppen slingdifferentialkrets som matar in en komplex spolspänning proportionell mot frekvensen och ingångsspänningen.

För att demonstrera tillämpningen av deras tillvägagångssätt mätte de cantilever-resonanskurvor och atomskala-topografin för en glimmeryta i fosfatbuffrad saltlösning med olika anpassade cantilevers inklusive de med en megahertz-ordnings resonansfrekvens.

Atomkraftsmikroskopi

Den första bilden med AFM rapporterades av Gerd Binnig, Calvin Quate och Christoph Gerber 1986, fem år efter skanningstunnelmikroskopet. Tekniken kan upplösas i atomskala och genererar bilder genom att mäta summan styrka av ett antal krafter vid spel mellan spets och prov, inklusive van der Waals och elektrostatisk.

AFM använder en cantilever med en liten spets fäst i slutet. För statisk AFM dras spetsen över ytan och fribärningsböjningen mäts eller, cantilever -höjden justeras för att bibehålla en konstant avböjning. I dynamisk AFM, där fribäret svänger med sin resonansfrekvens och knackar på ytan med spetsen, kontakt mellan spetsen och ytan orsakar mindre skada på provet. Den kan avbilda med hög känslighet utan att komma i kontakt med ytan alls i kontaktfritt läge, genom att övervaka påverkan av interaktioner med ytan på amplituden och frekvensen av cantileversvängningarna.

Förutom piezo -aktiverad och fototermisk cantilever -excitation kan elektrostatiska och elektrostriktiva interaktioner användas genom att applicera en förspänning mellan spetsen och ytan eller båda sidorna av en cantilever. Dock, i många av de vätskor som används för att hysa prover, detta kan orsaka okontrollerade kemiska reaktioner.

Closed loop versus open loop med differentieringskretsar

När man använder magnetfält för att excitera svängningar i fribärningen, kretsen som matar ström till solenoidspolen behöver bibehålla en konstant strömamplitud. Dock, kretsens impedans ökar med frekvensen, så att en signal med högre spänning behövs för att bibehålla en konstant strömamplitud. Detta uppnås vanligtvis med en återkopplingsslinga, som omvandlar spolströmmen till en spänning och jämför den med ingångsspänningen. Dock, denna återkopplingsslinga blir instabil vid megahertz -frekvenser.

I den öppna kretsen som används istället, ingångsspänningen matas in i en differentieringskrets som returnerar en komplex spolspänning som är proportionell mot ingångsspänningen och frekvensen ( V _spole =i ωV _i , var V _spole är spolspänningen, V _i är ingångsspänningen och ω är frekvensen.) På så sätt skalas spolspänningen automatiskt med frekvensen, kompensera för de frekvensberoende impedansförändringarna.