雙頻共振跟蹤 (DFRT) 是一種接觸式原子力顯微鏡 (AFM) 技術(shù),用于測量樣品的微弱的電響應(yīng)或機械響應(yīng)。傳統(tǒng)的共振跟蹤技術(shù)需要依靠鎖相環(huán) (PLL) 來保持相位恒定,但這種方法并不適用于鐵電材料等會因電疇方向而表現(xiàn)出相位反轉(zhuǎn)的材料。DFRT 的優(yōu)勢在于可以測量相位反轉(zhuǎn),因為它只使用共振幅值作為反饋。
雙頻共振跟蹤 (DFRT) 是一種接觸式原子力顯微鏡 (AFM) 技術(shù),用于測量樣品的微弱的電響應(yīng)或機械響應(yīng)。傳統(tǒng)的共振跟蹤技術(shù)需要依靠鎖相環(huán) (PLL) 來保持相位恒定,但這種方法并不適用于鐵電材料等會因電疇方向而表現(xiàn)出相位反轉(zhuǎn)的材料。DFRT 的優(yōu)勢在于可以測量相位反轉(zhuǎn),因為它只使用共振幅值作為反饋。
與 DFRT 技術(shù)相關(guān)的應(yīng)用包括:壓電響應(yīng)力顯微鏡 (PFM)、電化學應(yīng)變顯微鏡(ESM,該顯微鏡對離子電流引起的應(yīng)變敏感)和掃描熱離子顯微鏡(STIM,該顯微鏡可以測量由熱振蕩引起的應(yīng)變)。
DFRT 尤其適用于鐵電材料和多鐵性材料的薄膜表征。因為其共振增強的測量技術(shù)可以實現(xiàn)對較弱信號的測量,可以使用較低的極化電壓來避免薄膜擊穿。而對于塊狀材料,常用的方法是在固定低頻下進行的鎖相測量,但接觸共振技術(shù)可以大幅增強對于機械或電激發(fā)的納米機械響應(yīng)。
第一步是在 AFM 針尖與樣品接觸時,通過對電或機械驅(qū)動的輸出頻率進行掃描,來確定接觸共振 (CR)。這樣就可以在信號輸出端產(chǎn)生一個調(diào)幅信號,由它在 CR 兩側(cè)產(chǎn)生兩個邊帶幅值 A1 和 A2。
圖中的紅色曲線顯示了差值 A2 - A1 與驅(qū)動頻率之間的函數(shù)關(guān)系:它在共振周圍表現(xiàn)出單調(diào)性,具有良好的增益靈敏度,因此可用于反饋。我們用 Zurich Instruments 鎖相放大器內(nèi)置的,且通過 PID Advisor 進行優(yōu)化的,PID 控制器來調(diào)節(jié)在頻率 fc+/-fm 處測得的邊帶幅值之差 A2' - A1'。該幅值差將用作 PID 控制器的誤差信號,并作用于中心頻率 fc 上。如果針尖和樣品之間的相互作用導致共振頻率發(fā)生變化,則測得的幅值差 A2' - A1 也會變化,導致驅(qū)動頻率發(fā)生偏移,如圖所示。在共振時,A1 和 A2 相等,因此所選的設(shè)定值應(yīng)為零。

測量多鐵材料和用于相關(guān) PFM 模式時,驅(qū)動信號輸出被引向偏置電壓。當信號輸出到達與樣品機械耦合的壓電振動器后,我們采用相同的測量原理,即可觀察到納米機械響應(yīng)。

? 雙峰激勵、邊帶檢測和基于幅值差的 PID 反饋都可以通過同一臺 Zurich Instruments 鎖相放大器進行操作。
? 可以運用 HF2LI 鎖相放大器的兩個輸入來同時測量平面內(nèi)和平面外的分量,以便對壓電矢量場進行完整的研究(幅度、方向和極性)。
? 即使在無法使用 PLL 的情況下,也可以通過共振增強技術(shù)來提高測量的靈敏度。PID Advisor 可以優(yōu)化任何線性反饋環(huán)。
? Zurich Instruments 提供了兼容任何第三方 AFM 顯微鏡的解決方案,僅添加一臺儀器:只需要能操作探針偏轉(zhuǎn)信號(垂直和橫向)和樣品偏置電壓(驅(qū)動)即可。
? 所有內(nèi)部信號通道都可以記錄為多幅圖像,只需將數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 模塊與掃描引擎的行尾 (EOL) 觸發(fā)同步即可。
? 將高次諧波分量與 DFRT 相結(jié)合,可以測量離子電流(例如 ESM)、熱致應(yīng)變(例如 STIM)或其他諧波相關(guān)現(xiàn)象。
? 跟蹤共振頻率可以減少形貌造成的串擾,這對于表面粗糙度較高的樣品尤其重要。