Atoomkrachtmicroscopie (AFM) bracht de beeldresolutie op atomaire schaal van scanning tunneling microscopie, een techniek die de Nobelprijs voor natuurkunde won, op niet-geleidende oppervlakken. Echter, er blijven beperkingen bestaan ​​​​wanneer wordt geprobeerd de techniek op zijn gevoeligst te gebruiken met lichtgevoelige monsters in vloeistoffen. Nu laten onderzoekers van Kanazawa University zien hoe deze beperkingen te overwinnen, door een cantilever van enkele micrometers groot aan te drijven bij megahertz-frequenties met stabiliteit en controle in vloeistof en zonder het monster mogelijk aan licht bloot te stellen.

Atoomkrachtmicroscopen bewaken de krachten die spelen tussen een oppervlak en een punt die aan een cantilever is bevestigd om informatie over de topografie en samenstelling van het oppervlak te extraheren. Door de cantilever over het oppervlak te laten oscilleren in plaats van te slepen, kan de sterkte van interacties met de cantilever en de punt worden afgeleid uit veranderingen in de oscillatie-amplitude of resonantiefrequentie zonder het oppervlak te beschadigen.

Gewoonlijk genereert een piëzo-actuator een akoestische golf die de cantilever ertoe aanzet om te oscilleren met zijn resonantiefrequentie. Echter, deze benadering is gevoelig voor valse bijdragen aan de resonantie van de componenten van het apparaat dat de actuator met de cantilever verbindt. De impact van deze effecten is groter voor de meest gevoelige uitkragingen, die klein zijn en hoge megahertz-resonantiefrequenties hebben. Alternatieven zijn fotothermisch, elektrostatische of elektrostrictieve vrijdragende excitatie, maar als het onderzochte materiaal lichtgevoelig is of in een elektrochemisch actieve vloeistof wordt bewaard, ook deze hebben nadelen. In plaats daarvan volgden Takeshi Fukuma en collega's van de Kanazawa University met een magnetische excitatiebenadering.

De onderzoekers onderzochten hoe ze hun aanpak konden implementeren met drie merken cantilever, die ze hebben aangepast door een magnetische kraal toe te voegen die is versierd met een punt van koolstof op nanoschaal. Vervolgens pasten ze een wisselend magnetisch veld toe door een wisselstroom te voeren in een kleine solenoïde gemaakt van een draad met een diameter van 0,2 mm die rond een cilinder met een diameter van 3 mm was gewikkeld.

Hoewel andere groepen eerder dynamische AFM hebben aangetoond die wordt aangedreven door magnetische excitatie, de aanpak stuit opnieuw op problemen voor kleine uitkragingen. De feedbacklus om de circuitlatentie te verwerken en de frequentieafhankelijke impedantie te compenseren, zodat het apparaat een brede frequentiebandbreedte bestrijkt, werkt niet zo goed bij hoge frequenties. In plaats daarvan ontwierpen de onderzoekers een open-lus differentieelcircuit dat een complexe spoelspanning voedt die evenredig is met de frequentie en ingangsspanning.

Om de toepasbaarheid van hun aanpak te demonstreren, maten ze cantilever-resonantiecurven en de topografie op atomaire schaal van een mica-oppervlak in fosfaatgebufferde zoutoplossing met verschillende aangepaste cantilevers, waaronder die met een megahertz-orde resonantiefrequentie.

Atoomkrachtmicroscopie

De eerste afbeelding met AFM werd gerapporteerd door Gerd Binnig, Calvin Quate en Christoph Gerber in 1986, vijf jaar na de scanning tunneling microscoop. De techniek is in staat tot resolutie op atomaire schaal en genereert beelden door de somsterkte te meten van een aantal krachten die tussen punt en monster in het spel zijn, waaronder van der Waals en elektrostatisch.

AFM gebruikt een cantilever met aan het uiteinde een kleine punt. Voor statische AFM wordt de punt over het oppervlak gesleept en wordt de doorbuiging van de cantilever gemeten of, de hoogte van de cantilever wordt aangepast om een ​​constante doorbuiging te behouden. Bij dynamische AFM waar de cantilever op zijn resonantiefrequentie oscilleert en met de punt op het oppervlak tikt, contact tussen de punt en het oppervlak veroorzaakt minder schade aan het monster. Het is in staat tot zeer gevoelige beeldvorming zonder contact te maken met het oppervlak in contactloze modus, door de impact van interacties met het oppervlak op de amplitude en frequentie van de cantilever-oscillaties te volgen.

Naast piëzo-aangedreven en fotothermische cantilever-excitatie kunnen elektrostatische en elektrostrictieve interacties worden gebruikt door een voorspanning aan te leggen tussen de punt en het oppervlak of beide zijden van een cantilever. Echter, in veel van de vloeistoffen die worden gebruikt om monsters te huisvesten, dit kan ongecontroleerde chemische reacties veroorzaken.

Gesloten lus versus open lus met differentiatiecircuits

Wanneer magnetische velden worden gebruikt om oscillaties in de cantilever op te wekken, het circuit dat stroom levert aan de magneetspoel moet een constante stroomamplitude behouden. Echter, de impedantie van het circuit neemt toe met de frequentie, zodat een hoger spanningssignaal nodig is om een ​​constante stroomamplitude te behouden. Dit wordt meestal bereikt met een feedbacklus, die de spoelstroom omzet in een spanning en deze vergelijkt met de ingangsspanning. Echter, deze feedbacklus wordt onstabiel bij megahertz-frequenties.

In het in plaats daarvan gebruikte open-luscircuit, de ingangsspanning wordt ingevoerd in een differentiatiecircuit dat een complexe spoelspanning retourneert die evenredig is met de ingangsspanning en de frequentie ( V _spoel =ik V _in , waar V _spoel is de spoelspanning, V _in is de ingangsspanning en ω is de frequentie.) Op deze manier schaalt de spoelspanning automatisch met de frequentie, compenseren voor de frequentieafhankelijke impedantieveranderingen.