原子力顯微鏡(AFM)將掃描隧道顯微鏡的原子級成像分辨率(該技術(shù)獲得了諾貝爾物理學獎)帶到了非導電表面。但是，當嘗試對液體中的光敏樣品最敏感地使用該技術(shù)時，仍然存在局限性。現(xiàn)在，金澤大學的研究人員展示了如何克服這些限制，方法是以兆赫茲頻率驅(qū)動幾微米大小的懸臂，使其在液體中具有穩(wěn)定性和可控性，并且不會將樣品暴露在光下。

原子力顯微鏡監(jiān)視表面和連接到懸臂的尖端之間的作用力，以提取有關(guān)表面形貌和成分的信息。通過在表面上振蕩而不是拖動懸臂，可以從振蕩幅度或共振頻率的變化中推斷出與懸臂和尖端的相互作用強度，而不會損壞表面。

通常，壓電致動器會產(chǎn)生一個聲波，該聲波會驅(qū)動懸臂以其共振頻率振蕩。然而，這種方法易于導致將致動器連接到懸臂的裝置的組件對共振的虛假貢獻。這些影響對最靈敏的懸臂梁更大，這些懸臂梁很小并且具有很高的兆赫茲諧振頻率。替代方法是光熱，靜電或電致伸縮懸臂梁激發(fā)，但是如果所研究的材料是光敏材料或保持在電化學活性液體中，則這些材料也有缺點。相反，金澤大學的福島健(Takeshi Fukuma)及其同事采用了磁激勵方法。

研究人員研究了如何使用三種懸臂制造方法來實現(xiàn)他們的方法，他們通過添加裝飾有碳納米級尖端的磁珠來對其進行定制。然后，他們通過向細小的螺線管中饋入交流電流來施加交變磁場，該細螺線管由直徑為0.2毫米的導線纏繞在直徑為3毫米的圓柱體上制成。

盡管其他小組先前已經(jīng)證明了由磁激勵驅(qū)動的動態(tài)原子力顯微鏡，但該方法再次遇到了小型懸臂梁的問題。所述反饋環(huán)路處理電路延遲和補償頻率相關(guān)的阻抗，從而使設(shè)備覆蓋寬的頻率帶寬在高頻不工作這么好。然而研究人員設(shè)計的開環(huán)微分電路，在一個復雜的飼料線圈電壓的頻率和輸入電壓成比例的。

為了證明他們的方法的適用性，他們測量了磷酸鹽緩沖鹽溶液中具有各種定制懸臂的懸臂共振曲線和云母表面的原子尺度形貌，這些懸臂包括具有兆赫茲共振頻率的懸臂。

原子力顯微鏡

掃描隧道顯微鏡五年后，Gerd Binnig，Calvin Quate和Christoph Gerber于1986年報道了使用原子力顯微鏡的第一張圖像。該技術(shù)具有原子級分辨率，并可以通過測量針尖和樣品之間作用的許多力的總強度來生成圖像，這些力包括范德華力和靜電力。

AFM使用懸臂，懸臂末端附有一個小尖端。對于靜態(tài)AFM，將尖端拖動到表面上，然后測量懸臂撓度，或者調(diào)節(jié)懸臂高度以保持恒定的撓度。在動態(tài)原子力顯微鏡中，懸臂以其共振頻率振蕩并用尖端敲擊表面，尖端與表面之間的接觸對樣品的損害較小。通過監(jiān)視與表面相互作用對懸臂振動的幅度和頻率的影響，它能夠進行高靈敏度成像，而完全不以非接觸模式與表面接觸。

除了壓電致動和光熱懸臂激發(fā)，還可以通過在懸臂的尖端與表面或兩側(cè)之間施加偏置電壓來使用靜電和電致伸縮相互作用。但是，在許多用于容納樣品的液體中，這可能導致不受控制的化學反應(yīng)。

帶微分電路的閉環(huán)與開環(huán)

當使用磁場激發(fā)懸臂中的振蕩時，向螺線管線圈供應(yīng)電流的電路需要保持恒定的電流幅度。然而，電路的阻抗隨頻率增加，因此需要較高的電壓信號來保持恒定的電流幅度。這通常是通過反饋回路實現(xiàn)的，該回路將線圈電流轉(zhuǎn)換為電壓并將其與輸入電壓進行比較。但是，此反饋回路在兆赫茲頻率下變得不穩(wěn)定。

在開環(huán)電路中使用代替，輸入電壓被送入一個微分電路，它返回一個復雜的線圈電壓是正比于輸入電壓和頻率(V 線圈 = I ωV 在，其中V 線圈是線圈電壓，V in是輸入電壓，ω是頻率。)這樣，線圈電壓會自動隨頻率縮放，以補償與頻率有關(guān)的阻抗變化。