Anvendelsen af ​​en anden resonans i atomkraftmikroskopi øger opløsningen

Atomisk kraftmikroskopi (AFM) er en meget følsom form for mikroskopi, der gør det muligt at kortlægge en overflade med atomær opløsning. Shaw Wei Kok og kolleger fra A*STARs Singapore Institute of Manufacturing Technology har nu udviklet en AFM-målemetode, der kan forbedre teknikkens følsomhed endnu mere.

Forskernes nye målemetode er baseret på standard 'tuning fork' forskydningstilstand - en af ​​de mange tilstande, der bruges i AFM. I denne tilstand, en atomisk skarp sonde er dannet på den ene arm af en kvarts stemmegaffel og indstillet til højfrekvent resonansvibration. Når sonden bringes tæt på overfladen af ​​en prøve, samspillet mellem atomkræfter giver anledning til en forskydningskraft, der bremser vibrationen. Ved at overvåge dette signal, sonden og overfladen kan holdes ved en konstant adskillelse ved hjælp af et automatiseret feedback-system, gør det muligt at scanne prøveoverfladens højdeprofil med opløsning i atomskala.

Den maksimale billedopløsning, der kan opnås ved at stemme gaffelbaseret shear-mode AFM, er begrænset af stemmegaflens Q-faktor, eller hvor let gaflen 'ringer'. Problemet, ifølge Kok og hans kolleger, har været, at forskning i at forbedre Q-faktoren har været afhængig af resonansfrekvensen af ​​sonden i fri luft, hvilket ikke er det samme, som når sonden er næsten i kontakt med overfladen - så under scanning fungerer sonden effektivt off-resonans.

Forskerne opdagede, at feedbackkontrol ved hjælp af sondens anden resonans, når den er nær overfladen, giver højere følsomhed end ved brug af den første, friluftsresonans. “Denne opdagelse opstod, da spidsoscillationernes adfærd var meget tæt på overfladen i modstrid med den forventede adfærd, ” siger Kok. "Den traditionelle model af en stemmegaffel kunne ikke forklare den observerede adfærd. Baseret på en alternativ kvantitativ model, som vi udviklede, vi fandt ud af, at følsomheden burde være højere i dette andet resonansregime."

Når den opereres i dette andet resonansregime, opløsningen af ​​AFM steg betydeligt, og finere strukturer kunne løses (se billede). Udviklingen baner vejen for grundlæggende undersøgelser, siger Kok. "Vi vil udnytte følsomheden opnået ved hjælp af det andet resonansregime til at undersøge atomskearkraftsinteraktion mellem AFM -sonden og prøven, ” siger han. "Resultaterne vil hjælpe os med at udforske materialeegenskaber på nanoskala, og kunne føre til opdagelsen af ​​ny fysik."