原子力顯微鏡（AFM）是掃描探針顯微鏡（SPM）模式中的一員，在尖銳針尖與樣品表面之間，使用機(jī)械力、電學(xué)或者磁學(xué)相互作用來(lái)獲得樣品表面的圖像。近年來(lái)，高精密的電子儀器及光學(xué)儀器的出現(xiàn)，促進(jìn)了SPM向更加復(fù)雜的成像模式和更高時(shí)間分辨與空間分辨成像方向發(fā)展。針對(duì)不同的樣品特性，把幾種現(xiàn)有的成像模式綜合在一起來(lái)獲得樣品表面的形貌像也日益受到了人們的廣泛關(guān)注。此外，隨著科研人員對(duì)研究樣品在微小時(shí)間尺度上的相互作用越來(lái)越感興趣，任意波形發(fā)生器（AWG）或者飛秒激光器結(jié)合AFM可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨的測(cè)量與成像。

懸臂梁探針與樣品之間相互作用的微弱力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后是一個(gè)比較微弱的電信號(hào)，如果要檢測(cè)這種微弱的電信號(hào)，需要使用鎖相放大器、信號(hào)平均器（BOXCAR）或者單光子計(jì)數(shù)技術(shù)等。在AFM的各種高級(jí)成像模式中，常見(jiàn)的電學(xué)檢測(cè)設(shè)備是寬頻數(shù)字鎖相放大器和信號(hào)平均器。Zurich Instruments提供了一系列不同規(guī)格的高精密微弱信號(hào)檢測(cè)儀器如雙通道鎖相放大器（HF2、UHF）、BOXCAR均分器等，其均可以應(yīng)用于AFM的高級(jí)成像。

HF2PLL用于恒振幅AFM模式
在這個(gè)AFM應(yīng)用中，懸臂梁由可變振幅和可變頻率信號(hào)在共振狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)。由于懸臂梁與樣品之間的相互作用，探測(cè)器的信號(hào)在振幅和相位上都會(huì)發(fā)生變化。為了保持懸臂梁處于共振狀態(tài)下，采用高速鎖相環(huán)（PLL）來(lái)跟蹤相移，相對(duì)于感測(cè)信號(hào)而言，驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加90度的位移，而輸出振幅通過(guò)一個(gè)快速的PID控制器來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)以便懸臂梁在恒定振幅下有讀數(shù)。鎖相環(huán)的頻移信號(hào)是形貌的直接測(cè)量結(jié)果而耗散量是施加到懸臂梁保持震蕩恒定的一個(gè)能量的直接測(cè)量，因此，靜電力/磁力/化學(xué)/分子力的關(guān)系施加到懸臂梁上。

恒振幅模式可應(yīng)用于接觸/非接觸AFM、KPFM、高速成像、動(dòng)態(tài)力譜。

HF2PLL 橫激勵(lì)/恒驅(qū)動(dòng)AFM模式
在這個(gè)AFM應(yīng)用中，懸臂梁由恒定振幅和可變頻率信號(hào)在共振狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)。由于懸臂梁與樣品之間的相互作用，探測(cè)器的信號(hào)在振幅和相位上都會(huì)發(fā)生變化。為了維持懸臂梁處于共振狀態(tài)，采用高速鎖相環(huán)（PLL）來(lái)跟蹤相移，相對(duì)于感測(cè)信號(hào)而言，驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加了90度的位移。PLL的頻移是形貌像的一種直接測(cè)量。

橫激勵(lì)/恒驅(qū)動(dòng)模式可應(yīng)用于接觸/非接觸AFM、KPFM、高速成像、動(dòng)態(tài)力譜。

雙頻共振跟蹤原子力顯微鏡（DFRT AFM）

由于多層薄膜和多鐵性材料變得越來(lái)越薄，為了降低極化電壓，可以采用共振增強(qiáng)測(cè)量的需求來(lái)增加靈敏性。雖然在固定低頻信號(hào)的鎖相測(cè)量適用于塊體材料的應(yīng)用，但是，對(duì)于機(jī)械或者靜電激發(fā)的納米機(jī)械響應(yīng)可以在AFM傳感器的接觸共振處得到很大的提高。借助Zurich Instruments雙通道鎖相放大器，雙模型激勵(lì)、邊帶探測(cè)和振幅差的PID反饋可以同時(shí)完成平面內(nèi)和平面外的組分測(cè)量。

DFRT方法描述

鎖相放大器內(nèi)部的PID控制器被用來(lái)調(diào)節(jié)共振頻率附近的f1和f2頻率的振幅差。振幅差的大小和符號(hào)可被用來(lái)計(jì)算誤差信號(hào)，以便PID控制調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率（f1+f2）/2。

在共振時(shí)，振幅A1和A2之間沒(méi)有差別，從而也就沒(méi)有誤差信號(hào)產(chǎn)生。如果共振頻率像上圖中所示發(fā)生降低，那么A2'-A1'是負(fù)值而驅(qū)動(dòng)頻率降低。

LabOne軟件中的DAQ Tab下的grid mode可以直接顯示樣品的振幅和相位像

上圖中顯示了使用DFRT模式下的第四諧波響應(yīng)測(cè)量納米晶Sm摻雜氧化鈰樣品的振幅和相位像。

如下表格展示了Zurich Instruments儀器在AFM中的各種成像模式與所需要的選件。