多頻AFM技術

多頻AFM 技術

多頻AFM(multifrequency AFM，MF-AFM)技術，簡單來說就是微懸臂在多個頻率下振動，并用來探測樣品性質的一大類AFM技術，包括頻帶激勵(band excitation)、雙頻追蹤(dual resonance frequency tracking，DRFT)、邊頻帶探測(sideband detection)、雙模式(bimodal) 以及微分法(dip-df method)等[16]。下面以研究樣品力學性質中用到的接觸共振技術為具體例子，對多頻AFM技術進行簡單介紹。

接觸共振(contact resonance) 技術的基本原理，是當微懸臂探針與樣品接觸時，微懸臂探針的共振頻率會發生變化，在接觸模式下進行樣品形貌掃描的同時，通過壓電陶瓷激勵微懸臂探針或樣品實現小振幅高頻共振，采用鎖相環共振頻率追蹤(PLL frequency tracking)、掃頻(frequency sweep)以及頻帶激勵和雙頻追蹤技術，測量其共振頻率和品質因子，與傳統的接觸模式相比，可以減小掃描過程中的針尖和樣品磨損，增加導電原子力探針與樣品的電學接觸等。針尖—樣品接觸可以用Kelvin—Voigt 力學模型來描述，如圖6所示，其中彈簧和阻尼器分別代表樣品的硬度(彈性)和能量耗散(粘性)，樣品硬度越高則接觸共振的頻率越高，樣品粘性越大則能量耗散越大，對應的品質因子則越小，并可以進一步根據標準力學模型計算出樣品的彈性模量(elastic modulus)和損耗模量(loss modulus)。在調幅-調頻模式(AMFM mode)下，也可以研究樣品的粘彈性等性質，利用兩個不同頻率的激勵信號來激勵微懸臂振動，其中低頻的振動信號采用振幅調制模式來得到樣品形貌，而高頻的振動信號采用頻率調制模式來獲得共振頻率和振幅，分別反映了樣品的硬度(彈性)和能量耗散(粘性)。此外，DRFT技術還可以解決由于多鐵材料中存在反平行疇區，使得PFM的鎖相環回路不穩定的問題等。MF-AFM技術是AFM技術發展的前沿核心，在材料、生物、納米力學等許多領域具有重大應用前景，如實現材料亞表面甚至是細胞內部納米顆粒的成像等