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调频模式高分辨详解
2017.12.27   点击96次

    原子力显微镜是通过检测探针针尖与样品间的作用力获得表面信息。因此,提高对此作用力的检测精度就是提高AFM分辨率的核心问题。为此,探针针尖做得越来越细。

    同时,为了避免尖锐针尖对样品的损伤,扩大对柔软样品的兼容性,动态力模式被广泛应用。

    动态力模式下,探针处于振动状态,通过相互作用力对振动的影响检测力的大小。对于任意简谐振动而言(χ=Acos(ωτ+φ)),三个参数决定了振动状态:频率(ω=2πf),振幅和相位。受到作用力影响的振动探针,其振幅和频率都会发生变化。因此发展出两种检测手段:调幅模式和调频模式。锁定振动频率,测量探针与样品不同距离时振幅的改变,这种方法称为调幅模式;反之,固定振幅,测量作用力对频率的偏移作用,这种方法称为调频模式。

    振幅的变化可被基于传统接触模式的检测结构和检测电路兼容,因此调幅模式是目前最普遍的测试方法。该模式也被称为轻敲模式、AC模式、间歇接触模式等。但调幅模式的分辨率受到两个主要因素的影响。首先是振幅宽度,振幅越大,跨越的作用力梯度就越大,对振幅的改变也越大,也越容易被检测,但是无法区分振幅跨度内的作用力的梯度,因此其分辨率是受限的。另一方面,悬臂梁的振动质量因子(Q值)对分辨率影响很大。当振动环境的阻尼变大时(如从空气中移入液体中),探针悬臂梁的振动质量因子(Q值)会显著变小(降低2-3个数量级)。分辨率因此变得很差,一般只能达到十几到几十纳米的水平。

    同时,悬臂梁振动的时间常数(振动从开始改变到达到稳定的时间)会急剧变大,导致扫描时长不可接受(每幅图用时数小时到数天)。调幅模式若要达到原子级分辨率,除少数样品外,一般都需要真空甚至高真空环境。

    但在调频模式下,由于带宽可自由设定,因此不会遇到这个问题。而且因为频率相对于振幅对力的改变更为敏感,因此从理论上可以达到更高的分辨率。即使是在低Q值环境中,也可以实现接近调幅模式在真空中的分辨率。

    在工程实现上,最重要的是降低系统噪音水平。传统的调幅模式其系统噪音水平一般为100-300fm/√Hz,但是扫描单个原子时,其信号强度只有几十fm/√Hz的水平。因此必须将噪音压低到这个值以下才有可能实现原子/分子级别的分辨率。

    SPM-8100FM通过重新设计改造信号检测系统,成功将系统噪音水平降低到7fm/√Hz。在此基础上,实现了大气/液体环境中的原子/分子级分辨率。

    为了测试APM-8100FM的分辨率,对液体环境中的云母进行了扫描,可以稳定且清晰地得到典型的六边形结构,边长0.3nm左右。

    该仪器不仅对云母这种质地坚硬的样品可以在低Q值环境中(液体环境)获得原子图像,对于很柔软的样品,在类似的环境中,也可以达到调幅模式无法企及的分辨率。扫描缓冲溶液中的DNA双链,其双螺旋结构特有的大沟小沟清晰可见,而且,每个螺旋上的碱基数目也历历在目,与理论模型完全吻合。


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