金泽大学 用于开发的磁激励系统的实验装置
样品架的横截面图
带有磁珠和电子束曝光尖端的悬臂自由端放大图
信用:科学报告 原子力显微镜(AFM)将获得诺贝尔物理学奖的扫描隧道显微镜的原子尺度成像分辨率应用于非导电表面
然而，当试图将该技术最灵敏地用于液体中的光敏样品时，仍然存在局限性
现在，金泽大学的研究人员展示了如何克服这些限制，通过以兆赫频率驱动几微米大小的悬臂，在液体中保持稳定和可控，并且不需要将样品暴露在光线下
原子力显微镜监测表面和附着在悬臂上的尖端之间的作用力，以提取关于表面形貌和成分的信息
通过在表面上振动悬臂而不是拖动它，可以从振动幅度或共振频率的变化中推断出与悬臂和尖端相互作用的强度，而不会损坏表面
通常，压电致动器产生声波，驱动悬臂以其共振频率振荡
然而，这种方法易于从将致动器连接到悬臂的设备部件中对谐振产生虚假贡献
这些效应对最敏感的悬臂的影响更大，这些悬臂很小并且具有高的兆赫共振频率
替代方法是光热、静电或电致伸缩悬臂激发，但如果研究中的材料是光敏的或保存在电化学活性液体中，这些方法也有缺点
取而代之的是，金泽大学的福田武史和他的同事们采用了磁激发的方法
研究人员研究了如何用三种悬臂来实现他们的方法，他们通过添加一个装饰有碳纳米尖端的磁珠来定制悬臂
然后，他们通过向一个由0
直径为2毫米的金属丝缠绕在直径为3毫米的圆柱体上
尽管其他研究小组以前已经演示了由磁激励驱动的动态原子力显微镜，但这种方法再次遇到了小悬臂的问题
用于处理电路延迟和补偿频率相关阻抗的反馈环路，使器件能够覆盖较宽的频率带宽，但在高频下工作不太好
相反，研究人员设计了一个开环差分电路，输入与频率和输入电压成比例的复杂线圈电压
为了证明他们的方法的适用性，他们测量了悬臂共振曲线和磷酸盐缓冲盐水溶液中云母表面的原子尺度形貌，使用了各种定制的悬臂，包括具有兆赫级共振频率的悬臂
原子力显微镜 1986年，在扫描隧道显微镜问世五年后，格尔德·宾宁、卡尔文·夸特和克里斯托弗·格伯报道了第一张使用原子力显微镜的图像
这种技术具有原子尺度的分辨率，通过测量针尖和样品之间的作用力(包括范德华力和静电力)的总和来生成图像
原子力显微镜使用一个末端附有微小尖端的悬臂
对于静态原子力显微镜，尖端在表面上拖动，测量悬臂偏转，或者调整悬臂高度以保持恒定的偏转
在动态原子力显微镜中，悬臂以其共振频率振荡，并用尖端敲击表面，尖端和表面之间的接触对样品的损伤较小
通过监测与表面的相互作用对悬臂振动的振幅和频率的影响，它能够以非接触模式进行高灵敏度成像，而完全不与表面接触
除了压电致动和光热悬臂激发之外，静电和电致伸缩相互作用可以通过在悬臂的尖端和表面或两侧之间施加偏压来使用
然而，在许多用于保存样品的液体中，这可能导致无法控制的化学反应
带微分电路的闭环与开环 当使用磁场来激励悬臂中的振荡时，向螺线管线圈提供电流的电路需要保持恒定的电流幅度
然而，电路的阻抗随着频率而增加，因此需要更高的电压信号来保持恒定的电流幅度
这通常通过反馈回路来实现，该回路将线圈电流转换成电压，并将其与输入电压进行比较
然而，这个反馈回路在兆赫频率下变得不稳定
在所用的开环电路中，输入电压馈入微分电路，该电路返回与输入电压和频率成比例的复杂线圈电压(Vcoil = iωVin，其中Vcoil为线圈电压，Vin为输入电压，ω为频率
)这样，线圈电压自动与频率成比例，补偿与频率相关的阻抗变化
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