[论文解读] Measurement of the complete interaction force curve at the nanoscale

Mário S. Rodrigues, Luca Costa+2 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2012

Force Microscopy Techniques and Applications参考文献 20被引用 22

一句话总结

本文介绍了力反馈显微镜（FFM），这是一种基于AFM的新型技术，通过主动施加反向力以保持探针固定，从而消除接触跳跃问题，实现对完整纳米尺度力曲线（包括吸引力、排斥力和耗散相互作用）的直接、实时测量，分辨率达皮牛顿级。该方法可独立测量力、力梯度和阻尼，与探针位置无关，从而实现对液体、真空或气体中探针-样品相互作用的完整热力学表征。

ABSTRACT

The force between two interacting particles as a function of distance is one of the most fundamental curves in science. In this regard, Atomic Force Microscopy (AFM) represents the most powerful tool in nanoscience but with severe limits when it is to probe attractive interactions with high sensitivity. The Force Feedback Microscope (FFM) described here, removes from AFM the well known jump to contact problem that precludes the complete exploration of the interaction curve and the study of associated energy exchanges. The FFM makes it possible to explore tip-surface interactions in the entire range of distances with a sensitivity better than 1 pN. FFM stands out as a radical change in AFM control paradigms. With a surprisingly simple arrangement it is possible to provide the AFM tip with the right counterforce to keep it fixed at any time. The counterforce is consequently equal to the tip-sample force. The force, force gradient and damping are simultaneously measured independently of the tip position. This permits the measurement of energy transfer in thermodynamic transformations. Here we show some FFM measurement examples of the complete interaction force curve and in particular that the FFM can follow the nucleation of a water bridge by measuring the capillary attractive force at all distances, without jump to contact despite the large attractive capillary force. Real time combination of the measured parameters will lead to new imaging modalities with chemical contrast in different environments.

研究动机与目标

• 克服传统AFM的根本性局限——接触跳跃，该问题阻碍了对完整吸引力作用区间的系统性测量。
• 实现在纳米尺度下对完整相互作用力曲线的直接、实时且无歧义的测量，分辨率达皮牛顿级。
• 实现力、力梯度和阻尼作为探针-样品距离函数的同步、独立测量。
• 通过实现受控的可逆力循环，促进对纳米尺度相互作用的热力学分析。
• 通过在各种环境中结合力、梯度和阻尼数据，开启具有化学对比度的新成像模式。

提出的方法

• FFM采用反馈回路，实时施加与探针-样品相互作用力相等的反向力，防止任何非受控接近或接触跳跃。
• 系统通过光纤测量总探针运动（偏转 + 底座运动），避免仅基于悬臂偏转检测带来的误差。
• 动态模式通过在固定频率下施加压电激励，测量归一化电压 $ v_n(d) $ 和相位 $ \phi(d) $，并利用涉及动态刚度 $ a $ 和相位偏移 $ \phi^\infty $ 的方程，确定力梯度 $ \nabla F(d) $。
• 通过数值积分测量得到的力梯度 $ \nabla F(d) $ 重构力曲线 $ F(d) $，并经由直接静态测量验证。
• 仪器校准常数 $ a $ 和 $ \phi^\infty $ 在每次装置设置后仅需确定一次，并用于将电信号转换为机械力量。
• 该方法无需修改即可在真空、气体和液体环境中运行，支持在多种热力学条件下进行测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过改进的AFM控制范式，在无接触跳跃的情况下测量完整的纳米尺度力曲线（包括完整的吸引力区域）？
• RQ2 是否可作为探针-样品距离的函数，同步且独立地测量力、力梯度和阻尼？
• RQ3 是否可利用该方法从受控的可逆力循环中提取自由能变化等热力学量？
• RQ4 FFM是否可在包括液体在内的各种环境中实现皮牛顿级的力测量灵敏度？
• RQ5 同步测量力和力梯度是否可实现在复杂环境中具有化学对比度的新成像模式？

主要发现

• FFM在去离子水中对云母表面成功测量了完整的相互作用力曲线，包括完整的吸引力区域，且无接触跳跃，即使在强毛细力作用下亦然。
• FFM测得的力曲线无滞后现象且完全可逆，与传统AFM因非受控接触而表现出强烈滞后形成鲜明对比。
• FFM实现了优于1 pN的力灵敏度，噪声水平从直接静态测量中的约10 pN降低至使用积分力梯度数据时的约1 pN。
• 通过动态模式测量得到的力梯度 $ \nabla F(d) $ 进行数值积分所重构的力曲线，与直接静态测量结果在实验不确定度范围内一致。
• 动态模式的校准常数 $ a = 0.051 \, \text{N/m} $ 和 $ \phi^\infty = -54^\circ $ 仅需一次确定，即可准确重建整个距离范围内的力曲线。
• 该方法实现了力、力梯度和阻尼的实时同步测量，从而可研究纳米尺度下的能量传递与热力学转化过程。