多频原子力探针显微技术

不断提高空间分辨率、数据采集速度以及实现材料性质的成像,一直以来就是原子力显微术的发展目标.目前,最可能实现这一目标的手段是近些年发展的多频原子力显微术.多频原子力显微术,即利用多频率激励和/或多频率探测微悬臂的振动信号来研究样品纳米物性的一大类AFM技术.它可以实现针尖与样品间作用非线性信息的提取,在组分探测灵敏度、时间和空间成像分辨率等方面展现了巨大的优势.文中综述了多频原子力显微术所包含的不同实现方法的基本原理,并介绍了它们在高分辨成像、纳米力学、材料、生物等方面的前沿应用实例.此外,为探索多频原子力显微术,我们提出了一种特殊的高次谐振型石英音叉微悬臂模型.最后,文章展望了多频原子力显微术的下一步技术发展和应用研究.

高次谐振微悬臂的有限元设计与分析

多频原子力显微术(MF-AFM)是近些年发展的包含一大类先进原子力显微术的新技术,具有很高的空间分辨率,不仅可以实现更多样品物性的表征,还具有时间分辨的非线性力的探测能力.MF-AFM的基本原理是对微悬臂探针的多个振动频率进行激励和探测,而这些振动频率通常与微悬臂的高次谐波振动或本征模式有关,因此,实现这一新技术的关键是设计特殊的微悬臂.传统AFM中应用较为广泛的颇具代表性的传统微悬臂有硅微悬臂与石英音叉微悬臂等.传统矩形硅微悬臂的二阶弯曲本征模式与基础模式的频率比为6.27,而石英音叉微悬臂的二阶弯曲本征模式与基础模式的频率之比无统一的值,但均为非整数,直接利用传统微悬臂去探测高次谐振信号是非常困难的.基于微悬臂的共振放大效应,本文通过改变微悬臂的质量分布,讨论了传统硅微悬臂和石英音叉微悬臂本征模式的变化,调谐其高阶本征模式与基础模式间频率的耦合关系.通过理论计算和有限元分析,设计了二阶弯曲本征模式与基础模式的频率比为整数倍关系的特殊硅微悬臂与石英高次谐振型微悬臂,部分特殊微悬臂还涉及了一阶扭转模式与基础模式的耦合.