Atoomkrachtmicroscopie (AFM) is een zeer gevoelige vorm van microscopie die het mogelijk maakt om een ​​oppervlak in kaart te brengen met een bijna-atomaire resolutie. Shaw Wei Kok en collega's van A*STAR's Singapore Institute of Manufacturing Technology hebben nu een AFM-meetmethode ontwikkeld die de gevoeligheid van de techniek nog verder kan verbeteren.

De nieuwe meetmethode van de onderzoekers is gebaseerd op de standaard 'tuning fork' shear-modus, een van de vele modi die in AFM worden gebruikt. In deze modus, een atomair scherpe sonde wordt gevormd op een arm van een kwarts stemvork en in hoogfrequente resonerende trillingen geplaatst. Wanneer de sonde dicht bij het oppervlak van een monster wordt gebracht, de interactie van atomaire krachten geeft aanleiding tot een afschuifkracht die de trilling vertraagt. Door dit signaal te volgen, de sonde en het oppervlak kunnen op een constante scheiding worden gehouden met behulp van een geautomatiseerd feedbacksysteem, waardoor het hoogteprofiel van het monsteroppervlak kan worden gescand met een resolutie op atomaire schaal.

De maximale beeldresolutie die kan worden bereikt door op een stemvork gebaseerde afschuifmodus AFM wordt beperkt door de Q-factor van de stemvork, of hoe gemakkelijk de vork 'ringt'. Het probleem, volgens Kok en zijn collega's, is dat onderzoek naar het verbeteren van de Q-factor is gebaseerd op de resonantiefrequentie van de sonde in de vrije lucht, wat niet hetzelfde is als wanneer de sonde bijna in contact is met het oppervlak - dus tijdens het scannen werkt de sonde effectief buiten resonantie.

De onderzoekers ontdekten dat feedbackcontrole met behulp van de tweede resonantie van de sonde in de buurt van het oppervlak een hogere gevoeligheid biedt dan die met de eerste, resonantie in de vrije lucht. "Deze ontdekking deed zich voor toen op zeer korte afstanden van het oppervlak het gedrag van de tiposcillaties in strijd was met het verwachte gedrag, ’, zegt Kok. “Het traditionele model van een stemvork kon het waargenomen gedrag niet verklaren. Op basis van een alternatief kwantitatief model dat we hebben ontwikkeld, we vonden dat de gevoeligheid hoger zou moeten zijn in dit tweede resonantieregime.

Bij gebruik in dit tweede resonantieregime, de resolutie van de AFM aanzienlijk toegenomen, en fijnere structuren kunnen worden opgelost (zie afbeelding). De ontwikkeling maakt de weg vrij voor fundamenteel onderzoek, zegt Kok. "We zullen gebruikmaken van de gevoeligheid die is verkregen met behulp van het tweede resonantieregime om de atomaire afschuifkracht-interactie tussen de AFM-sonde en het monster te onderzoeken, ' zegt hij. “De resultaten zullen ons helpen om materiaaleigenschappen op nanoschaal te onderzoeken, en zou kunnen leiden tot de ontdekking van nieuwe fysica.”