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用于将显影的磁激励系统的实验设置。(a)将样品保持器的横截面图。(b)与磁珠和EBD尖端悬臂自由端的放大图。CREDIT科学报告
用于将显影的磁激励系统的实验设置。(a)将样品保持器的横截面图。(b)与磁珠和EBD尖端悬臂自由端的放大图。CREDIT科学报告

抽象:
原子力显微镜(AFM)所带来扫描隧道显微镜,即获得了诺贝尔物理学奖的技术,以非导电表面的原子级的成像分辨率。然而,模仿尝试使用该技术在其与液体光敏样品最敏感的时候依然存在。现在,研究人员在金泽大学显示如何克服这些限制,通过在液体兆赫的频率稳定性和控制并且没有样品潜在暴露于光驱动悬臂几微米的尺寸。

High-sensitivity atomic force microscopy opens up for photosensitive materials

Kakuma, South Korea | Posted on August 7th, 2020

原子力显微镜在表面和附连到悬臂提取有关的表面形貌和组成信息的尖端之间的间隙监视的力。通过振动表面上的悬臂,而不是拖动它与悬臂和尖端相互作用的强度可以从振荡幅度或谐振频率的变化,而不会损坏表面来推断。

通常一个压电致动器生成一个声学wave that drives the cantilever to oscillate at its resonance frequency. However, this approach is prone to spurious contributions to the resonance from the components of the device linking the actuator to the cantilever. The impact of these effects is greater for the most sensitive cantilevers, which are small and have high megahertz resonance frequencies. Alternatives are photothermal, electrostatic or electrostrictive cantilever excitation, but if the material under study is photosensitive or kept in an electrochemically active liquid, these too have drawbacks. Instead Takeshi Fukuma and colleagues at Kanazawa University followed up with a magnetic excitation approach.

They investigated how to implement their approach with three makes of cantilever, which they customized by adding a magnetic bead decorated with a carbon nanoscale tip. They then applied an alternating magnetic field by feeding an a.c. current into a tiny solenoid made from a 0.2 mm diameter wire wound around a 3 mm diameter cylinder.

虽然其他小组先前已证实动态AFM磁激励带动下,该方法再次运行到了小悬臂问题。反馈环路处理电路延迟和补偿频率相关的阻抗,从而使设备覆盖宽的频率带宽在高频不工作这么好。然而研究人员设计的开环微分电路,在一个复杂的频率和输入电压馈送线圈电压成比例的。

To demonstrate the applicability of their approach they measured cantilever resonance curves and the atomic scale topography of a mica surface in phosphate buffered saline solution with various customized cantilevers including those with a megahertz-order resonance frequency.

[Background]

Atomic force microscopy

The first image using AFM was reported by Gerd Binnig, Calvin Quate and Christoph Gerber in 1986, five years after the scanning tunnelling microscope. The technique is capable of atomic scale resolution and generates images by measuring the sum strength of a number of forces at play between tip and sample, including van der Waals and electrostatic.

AFM使用具有附接在端部的微小的尖端的悬臂。对于静态AFM尖端被拖动的表面上和悬臂偏转测量或,悬臂高度调整以维持恒定的偏转。在动态AFM,其中在它的谐振频率的悬臂振荡并敲击表面与尖端,尖端与表面之间的接触引起的样品更少的损害。它是能够高灵敏度成像而不在非接触模式下进行与所述表面接触在所有的,通过监测相互作用的在悬臂振荡的振幅和频率的表面的影响。

除了压电致动和光热悬臂激励静电和电相互作用可以通过涂敷尖端和表面或悬臂的两侧之间的偏置电压来使用。然而,在许多用于安置样品的液体,这可能会导致不可控的化学反应。

Closed loop versus open loop with differentiation circuits

当使用磁场来在悬臂EXCITE振荡,将电流供应到螺线管线圈需要的电路以维持恒定的电流幅度。然而,随着频率的电路的阻抗增加,从而需要较高的电压信号以维持恒定的电流幅度。这通常是用一个反馈回路,其中线圈电流转换为电压,并与所述输入电压进行比较来实现的。然而,这种反馈回路变为兆赫频率不稳定。

In the open-loop circuit used instead, the input voltage is fed into a differentiation circuit that returns a complex coil voltage that is proportional to the input voltage and the frequency (Vcoil = iωVin, where Vcoil is the coil voltage, Vin is the input voltage and ω is the frequency.) This way the coil voltage automatically scales with the frequency, compensating for the frequency-dependent impedance changes.

####

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Contacts:
Hiroe米田

81-762-344-550

Copyright © Kanazawa University

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