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多频AFM 技术

多频AFM(multifrequency AFM，MF-AFM)技术，简单来说就是微悬臂在多个频率下振动，并用来探测样品性质的一大类AFM技术，包括频带激励(band excitation)、双频追踪(dual resonance frequency tracking，DRFT)、边频带探测(sideband detection)、双模式(bimodal) 以及微分法(dip-df method)等[16]。下面以研究样品力学性质中用到的接触共振技术为具体例子，对多频AFM技术进行简单介绍。

接触共振(contact resonance) 技术的基本原理，是当微悬臂探针与样品接触时，微悬臂探针的共振频率会发生变化，在接触模式下进行样品形貌扫描的同时，通过压电陶瓷激励微悬臂探针或样品实现小振幅高频共振，采用锁相环共振频率追踪(PLL frequency tracking)、扫频(frequency sweep)以及频带激励和双频追踪技术，测量其共振频率和品质因子，与传统的接触模式相比，可以减小扫描过程中的针尖和样品磨损，增加导电原子力探针与样品的电学接触等。针尖—样品接触可以用Kelvin—Voigt 力学模型来描述，如图6所示，其中弹簧和阻尼器分别代表样品的硬度(弹性)和能量耗散(粘性)，样品硬度越高则接触共振的频率越高，样品粘性越大则能量耗散越大，对应的品质因子则越小，并可以进一步根据标准力学模型计算出样品的弹性模量(elastic modulus)和损耗模量(loss modulus)。在调幅-调频模式(AMFM mode)下，也可以研究样品的粘弹性等性质，利用两个不同频率的激励信号来激励微悬臂振动，其中低频的振动信号采用振幅调制模式来得到样品形貌，而高频的振动信号采用频率调制模式来获得共振频率和振幅，分别反映了样品的硬度(弹性)和能量耗散(粘性)。此外，DRFT技术还可以解决由于多铁材料中存在反平行畴区，使得PFM的锁相环回路不稳定的问题等。MF-AFM技术是AFM技术发展的前沿核心，在材料、生物、纳米力学等许多领域具有重大应用前景，如实现材料亚表面甚至是细胞内部纳米颗粒的成像等