Towards 3D Magnetic Force Microscopy
针对传统MFM仅能检测垂直杂散场分量的局限，本文提出利用分电极压电激励同时激发悬臂弯曲与扭转模态，实现V-MFM与L-MFM联合成像。
2023-08-18 physics.ins-det
Thermal noise calibration of functionalized cantilevers for force microscopy: effects of the colloidal probe position
本研究针对力显微镜中胶体探针校准受传感器细节影响的问题，建立了可描述悬臂梁任意位置负载动力学的分析模型，推导出热噪声校准校正系数，经实验验证了方法有效性，可用于标准力显微镜校准流程。
2024-03-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.ins-det
Shielded cantilever with on-chip interferometer circuit for THz scanning probe impedance microscopy
我们已经实现了一个基于微带太赫兹近场悬臂，使在太赫兹频率（0.3太赫兹）的探针针尖的阻抗的定量测量。一个关键特性是片上平衡混合耦合器，可用作无源信号消除的干涉仪，以提高读出电路的灵敏度，尽管尖端存在极端阻抗失配。我们观察到不同的电介质（Si，SrTiO 3）和金属样品（Au）接触时，尖端的反射系数的明显变化。通过比较有限元模拟，我们确定我们的太赫兹探头的灵敏度远低于0.25 fF。悬臂还允许在常规原子力显微镜模式下进行形貌成像。我们的太赫兹悬臂消除了几个关键的技术挑战，从而使屏蔽悬臂基于太赫兹近场显微镜。
2019-06-27 physics.app-ph physics.ins-det
Vibration of a Cantilever Beam in Ambient Fluid
在这里，我们获得的悬臂梁的频率响应的分析表达式中存在的环境流体。我们的方法的优点，除了其简单的使用，是它明确地包含周围流体的粘度和密度。因此，在测量频谱时，该表达式可用于粘度计的设计。相反，如果周围的流体是已知的，该表达式可以用于设计的力计，如在原子力显微镜。
2016-08-19 physics.ins-det
Calibration of oscillation amplitude in Dynamic Scanning Force Microscopy
介绍了一种动态扫描力显微镜中振幅的精确标定方法。它是实验表明，一个典型的电子用于处理的悬臂梁的动态运动，可以调整到转移的悬臂梁运动的热噪声从其谐振频率到一个低得多的频率内的相应的电子的典型带宽。因此，在这种电子设备的同相（“相位”）和异相（“幅度”）输出中测量的热噪声可以与热能$kT$相关。如果悬臂的力常数是已知的，则可以从这些信号中测量的热功率精确地校准振荡幅度。基于这一概念，提出了两种振幅校准方法。一种是基于在用于处理悬臂的动态运动的电子器件的输出处测量的均方根（RMS）的简单计算，另一种是基于相应频谱的分析和品质因数、谐振频率和信号强度的计算。
2012-10-12 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Thermoelectric stack sample cooling modification of a commercial atomic force microscopy
在原子力显微镜中实现温度依赖性实验对于研究纳米尺度下的材料和表面性质具有极大的意义。通过研究多铁性材料的居里温度，基于晶体结构的温度相变或电阻开关现象只是应用的几个例子。我们提出了一种能够在15 x15 mm样品板中使用热电冷却台将样品冷却至-61.4 C的设备。该设备使用四单元热电堆来实现最大温度范围，具有低电气和机械噪声。该设备安装在Keysight 5500 LS原子力显微镜中，保持其与所有电气和机械操作模式的兼容性。研究了水冷泵振动对悬臂梁静挠度噪声的贡献以及悬臂梁挠度的温度依赖性。一个La0.7Sr0.3MnO3-y薄膜样品被用来证明设备的性能和它的可用性，通过分析与这种氧化物钙钛矿相关联的阻变现象。
2018-07-18 physics.ins-det
Large colloidal probes for atomic force microscopy: fabrication and calibration issues
原子力显微镜（AFM）是研究微观和纳米尺度相互作用力的有力工具。尖端的悬臂刚度、尺寸和几何形状可以根据具体应用的要求在空间分辨率和力灵敏度方面进行选择。胶体探针（CP），通过将球形颗粒连接到一个无尖（TL）的悬臂梁，提供了几个优点，精确的力测量：可调和良好的表征半径;更高的平均能力（以牺牲空间分辨率）和灵敏度的弱相互作用;一个定义良好的相互作用的几何形状（球在平面上），这使得准确和可靠的数据拟合的分析模型。标准AFM探针的动力学已经被广泛研究，并且已经开发了用于校准悬臂梁弹性常数的协议。然而，CP的动力学，特别是大CP，半径远高于10 μ m和质量相当，或更大，比悬臂质量，目前仍然很差的特点。在这里，我们描述的制造和校准（大）CP。我们描述和讨论的CP特有的动态行为，并提出了一种替代协议的准确校准的弹性常数。
2020-07-29 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.ins-det
Spin Relaxation Caused by Thermal Excitations of High Frequency Modes of Cantilever Vibrations
我们考虑了磁共振力显微镜中振荡磁共振驱动的绝热反转技术中的自旋弛豫过程。我们模拟了在自旋子系统的拉比频率范围内，由高频悬臂梁模的热激发引起的自旋弛豫。在我们的模拟中获得的最小弛豫时间是更大的，但在最近的实验中测得的一个相同的数量级。我们证明，使用非均匀的横截面积的悬臂梁可以显着增加自旋弛豫时间。
2003-03-28 cond-mat physics.ins-det quant-ph
Digital control of force microscope cantilevers using a field programmable gate array
本文介绍了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的磁共振力显微镜（MRFM）悬臂梁控制器，以及用于将控制器集成到实验中的硬件和软件。该控制器由低成本的商用软件定义无线电（SDR）设备和开源软件库组装而成。该控制器包括一个数字滤波器，该数字滤波器包括两个级联的二阶部分（“双四阶”），它们一起可以实现用于最佳悬臂控制器的传递函数。本报告中的附录显示了如何根据测得的悬臂梁特性计算最优控制器的滤波器系数。控制器还包括用于校准协议的输入多路复用器和加法器。滤波器系数和多路复用器设置可以在实验运行时通过控制软件进行设置和调整。输入以64 MHz采样;滤波器中的采样频率可以在软件控制下分频，以实现与滤波器特性的良好匹配。这里报告的数据是在500 kHz下采样的，选择用于谐振频率接近8 kHz的声学杠杆。输入采用12位分辨率数字化，输出采用14位分辨率数字化。实验软件被组织为客户端和服务器，使其易于适应不同的实验控制器。服务器详细说明了控制器硬件组织、连接技术、过滤器架构和数字表示。相同的服务器可以用于任何实验，而不同的客户端编码每个实验的细节。
2008-09-08 physics.ins-det
Optomechanical transduction of an integrated silicon cantilever probe using a microdisk resonator
微尺度悬臂梁运动的灵敏传感对于质量、力、磁共振和位移传感等领域的许多应用都是至关重要的。将悬臂梁尺寸减小到纳米尺度可以提高诸如原子力显微镜的技术的带宽和灵敏度，但是当悬臂梁与可实现的光斑尺寸相比很小时，当前的光学换能方法受到影响。在这里，我们展示了敏感的光换能在单片腔光学机械系统中，其中一个亚皮克级硅悬臂与尖锐的探针尖端从微盘光学谐振器分离的纳米级间隙。高品质因数（Q ~ 10^5）的微盘光学模式抑制了悬臂梁的MHz频率热驱动振动，位移灵敏度为~ 4.4 × 10 ^-16 m \sqrt [2]{Hz}，带宽> 1 GHz，估计1 s测量的动态范围> 10^6。光学引起的硬化由于强大的光机相互作用的观察，并说明了通过悬臂梁设计和静电驱动的探针动力学工程。
2010-09-28 physics.ins-det physics.optics
A near real-time framework for extracting tip-sample forces in dynamic atomic force microscopy (dAFM)
原子力显微镜（AFM）是一种多功能、高分辨率的工具，用于在纳米尺度上表征各种样品的形貌和材料特性。微悬臂梁尖端与试样的相互作用导致悬臂梁偏转，该悬臂梁偏转由光学传感机构测量，随后用于构建样品形貌。近年来，人们越来越关注使用AFM来表征凝胶和活细胞等软样品。由于尖端-样品相互作用力的复杂性和竞争性，这仍然具有挑战性-需要大的尖端-样品相互作用力来实现良好的信噪比;然而，大的作用力往往会使软样品变形和破坏。在原位估计的局部针尖样品的相互作用力是必要的，以控制AFM悬臂梁运动，并防止破坏的软样品，同时保持良好的信噪比。这就需要能够快速估计操作期间悬臂偏转的尖端-样品力。本文提出了第一种方法的近实时框架的尖端样品力反演。我们提出的反问题提取针尖样品力作为一个无约束的优化问题。利用图形处理单元（GPU）开发了一种快速、并行的正演求解器。这个正向求解器显示了一个有效的30000倍的速度比可比的CPU实现，在毫秒的计算时间。该正向求解器与基于GPU的粒子群优化实现相结合。我们说明了三个类的尖样品相互作用反演的框架。这些反转中的每一个都是在亚秒的时间内进行的，显示出与在线AFM成像和材料表征相结合的潜力
2011-09-02 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Resistivity measurement for non-magnetic materials using high-order resonance mode of mfm-cantilever oscillation
本文提出利用 MFM 悬臂高阶共振模式提高振荡频率以增强涡流检测灵敏度，通过建立微分方程并求解相位差，揭示了高阶模式下相位差因有效弹簧常数增长更快而减小的规律。
2025-04-09 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Force sensing with nanowire cantilevers
纳米线和纳米管等具有高纵横比的纳米级结构将低机械损耗与高谐振频率相结合，使其成为要求最高灵敏度的应用中理想的力传感器和扫描探针。这样的结构承诺记录力的灵敏度结合在扫描探针显微镜的易用性。各种可能的材料成分和功能化是可用的，允许以优化的灵敏度感测各种类型的力。此外，纳米线具有准简并的力学模式二重态，这使得证明了灵敏的矢量力和质量检测。这些发展促使研究人员在各种力传感应用中使用纳米线杠杆，包括样品表面形貌的成像，光机械力、电力和磁力的检测，以及磁共振力显微镜。在本文中，我们讨论了使用纳米线作为力传感器背后的动机，解释了力传感的方法与纳米线杠杆，并给出了该领域的实验进展和未来的展望。
2019-01-17 physics.app-ph physics.ins-det
Diminish Electrostatic in Piezoresponse Force Microscopy through longer ultra-stiff tips
压电响应力显微镜是一种功能强大但精密的纳米级技术，可测量高度局部化电场的应用所产生的机械响应。虽然机械响应通常是由于压电性，但其他物理现象，特别是静电相互作用，也可能有助于信号读取。我们通过使用更长的超刚性探针来解决这个问题，提供最先进的灵敏度，具有最低的静电相互作用，并避免在高频状态下工作。为了找到这个解决方案，我们开发了一个理论描述，解决静电贡献的影响，在总悬臂梁振动和量化不同的设置。该理论随后在周期性极化铌酸锂（PPLN）晶体中进行了测试，该晶体是一种具有明确定义的0度和180度畴的样品，使用不同的商业可用导电尖端。我们采用的理论描述比较的静电贡献的影响到总的相位记录。通过实验数据，我们的描述证实了每一个测试的商用探头。我们建议，一个更大的探针长度可以是一个解决方案，以避免静电力，所以样品的静电相互作用被减少。对于硬氧化物样品，我们提出了一个超刚性悬臂，避免使用高频电压，但仍然减少静电力。我们提出的商用解决方案具有很大的影响，以避免文物，同时研究软生物样品，多铁性氧化物，和薄膜铁电材料，它打开了一个新的窗口到尖端工程。
2016-10-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Observation of Nanoscale Opto-Mechanical Molecular Damping; Origin of Spectroscopic Contrast in Photo Induced Force Microscopy
实验研究了红外光诱导力显微镜（PiFM）记录振动共振的对比度机制。大量的实验已经证明，当通过光学共振扫描光波长时，PiFM中的光谱对比度由悬臂振荡的光机械阻尼介导。据我们所知，这是第一次在AFM中观察到光机械阻尼。我们假设，这种阻尼力是样品和振动尖之间的耗散相互作用的结果; PiFM中的调制光源调制悬臂梁的第二本征模的有效阻尼常数，这反过来又产生边带信号，从而在第一本征模产生PiFM信号。一系列实验已经消除了其他对比机制。通过跟踪在第一悬臂梁本征模处的PiFM信号的频移，作为通过中红外吸收带调谐的激发波数，我们表明，近场光学相互作用是有吸引力的。通过使用振动压电晶体来模拟在混合模式下操作的PiFM中的样品热膨胀，我们确定我们的系统可以检测的最小热膨胀是30 pm，受系统噪声限制。我们已经通过检测沉积在模板剥离的金上的4-甲基苯乙胺单分子层的共振响应证实范德华介导的热膨胀力对PiFM信号具有可忽略的影响，其中预期热膨胀< 3 μ m，即，比我们的系统噪音低10倍。最后，介绍了耗散针尖-样品相互作用的基本理论，并对光致光机械阻尼进行了模拟。理论模拟与实验结果吻合良好。
2019-11-05 physics.ins-det physics.optics
Time-resolved force microscopy using delay-time modulation method
本文提出将音叉型原子力显微镜与延迟时间调制方法结合，实现时间分辨力显微镜，成功测量体相WSe2中光激发载流子的表面复合与扩散动力学，并用光致偶极-偶极相互作用模型解释实验结果。
2024-01-12 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Resetting Piezoresponse Force Microscopy: Towards a real quantitative technique
安装在原子力显微镜中的纳米针传感器允许系统的皮米范围的距离测量。该力敏器件作为距离传感器应用于压电响应力显微镜（PFM）中，通过采用悬臂梁的弹性常数作为转换因子，为探索纳米尺度下的压电效应开辟了一条途径。如果力传感器不单独干扰系统进行研究，则实现力-距离等效。在这篇手稿中，我们报告了一个系统的研究，其中不同的锆钛酸铅（PZT）材料，具有不同的d33值，测量以下的标准理论可用于PFM。共振和共振外测量都表明PFM不能被认为是定量的。在进行测量后，我们提出了一个修正的PFM中采用的标准理论，考虑由材料施加的力作为一个变量。压电性固有的g33参数控制系统可用的力的大小。的纳米级的网站接触区域的情况下，类似于它被发现，同时执行PFM的压电刚度的比较，提供。这样的刚度远低于悬臂刚度，限制和减少材料移动，因为压电材料没有足够的行程来引起预期的位移。一个校正因子，命名为开放式压电电位计，占这些影响，这是用来校正的测量进行PZT材料朝着一个真正的定量PFM。
2017-11-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
High resolution photonic force microscopy based on sharp nano-fabricated tips
亚纳米分辨率的图像可以通过原子力显微镜（AFM）在沉积在硬衬底上的样品上实现。然而，由于尖端引起的变形，对软界面（例如生物膜）进行成像仍然极具挑战性。光子力显微镜（PhFM），基于光镊（OT），是一个有趣的替代软扫描探针显微镜。使用光代替物理悬臂来保持扫描探针导致刚度（$k_{OT}\sim0.1-0.001$ pN/nm），其可以比标准悬臂的刚度（$k_{AFM}\sim 10$ pN/nm）低2-3个数量级。结合纳米分辨率的位移测量的捕获探针，这允许成像软材料没有力引起的伪影。然而，光学捕获探针的尺寸，通常选择为$\sim μ$ m-尺寸球，到目前为止限制了PhFM的分辨率。在这里，我们展示了一种新的和简单的nanofabelet协议，大规模生产光学可捕获的石英颗粒，模仿AFM的尖端。我们证明和量化的稳定捕获的颗粒与尖尖锐的35 nm，最小的PhFM中使用的日期。光栅扫描图像的刚性纳米结构的功能小于80 nm，与我们的提示获得的AFM图像比较以及相同的样品。对感染疟疾的活红细胞膜进行成像不会产生可见的伪影，而是揭示了与细胞内寄生虫活动有关的称为旋钮的亚微米结构特征。在PhFM中使用纳米工程颗粒开辟了以高分辨率成像软和生物样品的道路。
2020-02-04 physics.bio-ph physics.ins-det physics.optics
Novel Fabrication of Micromechanical Oscillators with Nanoscale Sensitivity at Room Temperature
我们报告超灵敏微机械振荡器的设计，制造和实施。我们的具有集成磁性结构的单晶硅悬臂梁是同类产品中的第一款：它们采用新型高产量工艺制造，其中磁性薄膜图案化和沉积与悬臂梁制造相结合。这些新的设备已被开发用于悬臂式磁强计和核磁共振力显微镜（MRFM）的力传感器。这两个应用程序已经实现了纳米级的分辨率使用本工作中描述的杠杆。当用作磁力计时，该器件实现的电流磁矩灵敏度在室温下为10^{-15} J/T，与传统磁力计相比，灵敏度提高了1000倍以上。目前MRFM悬臂梁的室温力灵敏度在1 Hz带宽内为~10^{-16} N，这与其类型的类似装置的室温灵敏度相当。有限元建模用于改进设计参数，确保装置满足实验要求，并将模态形状与观测结果相关联。优化了MEMS制造工艺，平均产率约为85%，取向优于1000 nm。当需要纳米尺度尺寸时，使用制造后聚焦离子束铣削来进一步图案化集成磁性结构。
2006-08-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Quadrature phase interferometer for high resolution force spectroscopy
在这篇文章中，我们提出了一个原子力显微镜（AFM）偏转测量装置。它是基于一个正交相位差分干涉仪：我们测量的光路之间的差异，反射的激光束的悬臂梁尖端和参考光束反射的传感器的静态基地。一个设计具有非常低的环境敏感性和另一个允许校准测量的宽光谱范围内进行描述。两者都能实现非常高的分辨率（低至$\SI{2.5E-15}{m/\sqrt{Hz}}$），通过AFM杠杆上的热噪声测量来说明。它们具有出色的长期稳定性和独立于干涉仪光学相位的恒定灵敏度。快速回顾表明，我们的精度等于或优于文献中报道的最佳结果，但对于更大的偏转范围，高达几个$\SI{}{\micro m}$。
2013-08-08 physics.ins-det physics.optics
ReCoDe: A Data Reduction and Compression Description for High Throughput Time-Resolved Electron Microscopy
快速、直接的电子探测器显著提高了电子显微镜电影的时空分辨率。然而，在扩展观测中保持空间和时间分辨率需要存储大量的数据。在这里，我们描述了一个有效的和灵活的数据减少和压缩方案（ReCoDe），保留空间和时间分辨率，通过保留单个电子事件。在工作站上运行ReCoDe，我们演示了以3 GB/s的速度实时还原和压缩从检测器流出的原始数据，并持续数小时进行不间断的数据收集。输出比原始数据小100倍，并通过10 GbE连接直接保存到网络连接的存储驱动器上。我们讨论的校准技术，支持电子检测和计数（例如，估计电子背散射率，假阳性率，和数据压缩性），和新的数据分析方法，使ReCoDe（例如，重新校准后的数据采集，准确估计重合损失）。
2020-09-28 physics.comp-ph physics.data-an physics.ins-det
Optomechanical Resonating Probe for Very High Speed Sensing of Atomic Forces
原子力光谱和显微镜（AFM）是表征纳米结构和生物系统的宝贵工具。大多数实验，包括最先进的分子键图像，都是通过在机械共振下驱动探针来实现的。对于最快的AFM微杠杆，这种共振达到MHz，典型的运动幅度为几纳米。下一代的分子尺度动力学研究，包括更快的力成像和更高分辨率的耗散相互作用的光谱学，需要更多的带宽和振动幅度低于原子间的距离，非微扰短程尖端物质相互作用。探针频率是提高带宽同时减少布朗运动的关键参数，从而允许大信噪比以实现精细分辨率。光机械谐振器在10^（-18）m处达到运动检测。(Hz)^（-1/2），而耦合光体振动模式的频率大大超过那些的悬臂梁。在这里，我们介绍了一个光学操作的共振光机械原子力探针的频率20倍以上的最快的功能AFM杠杆，而布朗运动是4个订单以下。基于绝缘体上硅技术，该探针演示了接触和非接触式相互作用的高速传感，并具有亚皮米驱动运动，打破了电流锁，实现了更快，更精细的原子力光谱。
2018-10-15 physics.app-ph physics.ins-det
Synchronous, Crosstalk-free Correlative AFM and Confocal Microscopies/Spectroscopies
显微镜已成为我们观察生物系统和组件的表征工具的支柱。不同显微镜的相关和同步使用依赖于图像采集过程中无干扰的基本假设。在这项工作中，通过探索原子力显微镜和共焦荧光寿命成像显微镜（AFM-FLIM）的相关使用，我们量化同步采集过程中发生的串扰效应。我们的特点和最小化的光机械力在不同的原子力显微镜的杠杆干扰正常的原子力显微镜操作，以及假发光的尖端和悬臂影响时间分辨荧光检测。通过定义非干扰实验成像参数，我们显示了准确的实时采集和相互作用力，荧光寿命和强度表征形态（AFM）和局部粘度（FLIM）的凝胶和流体相分离的支持脂质模型膜的二维映射。最后，作为通过同步力和荧光光谱的原理证明，我们通过控制其与金属表面的距离来精确地调整位于AFM针尖上的荧光纳米金刚石的寿命。这开辟了一个新的途径淬火传感图像软生物样品，如膜，因为它不需要与传统的AFM在液体中的尖端样品的机械接触。
2020-02-21 physics.bio-ph physics.ins-det q-bio.BM
