雙頻共振跟蹤 (DFRT-AFM)

簡介：

雙頻共振跟蹤 (DFRT) 是一種接觸式原子力顯微鏡 (AFM) 技術，用于測量樣品的微弱的電響應或機械響應。傳統的共振跟蹤技術需要依靠鎖相環 (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出相位反轉的材料。DFRT 的優勢在于可以測量相位反轉，因為它只使用共振幅值作為反饋。

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應用描述測量策略相關產品

應用描述

與 DFRT 技術相關的應用包括：壓電響應力顯微鏡 (PFM)、電化學應變顯微鏡（ESM，該顯微鏡對離子電流引起的應變敏感）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可以實現對較弱信號的測量，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，但接觸共振技術可以大幅增強對于機械或電激發的納米機械響應。

測量策略

第一步是在 AFM 針尖與樣品接觸時，通過對電或機械驅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生一個調幅信號，由它在 CR 兩側產生兩個邊帶幅值 A₁ 和 A₂。

圖中的紅色曲線顯示了差值 A₂ - A₁ 與驅動頻率之間的函數關系：它在共振周圍表現出單調性，具有良好的增益靈敏度，因此可用于反饋。我們用 Zurich Instruments 鎖相放大器內置的，且通過 PID Advisor 進行優化的，PID 控制器來調節在頻率 f_c+/-f_m 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 f_c 上。如果針尖和樣品之間的相互作用導致共振頻率發生變化，則測得的幅值差 A₂^' - A₁ 也會變化，導致驅動頻率發生偏移，如圖所示。在共振時，A₁ 和 A₂ 相等，因此所選的設定值應為零。

測量多鐵材料和用于相關 PFM 模式時，驅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。

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Zurich Instruments 鎖相放大器的優勢

? 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來提高測量的靈敏度。PID Advisor 可以優化任何線性反饋環。

? 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信號（垂直和橫向）和樣品偏置電壓（驅動）即可。

? 所有內部信號通道都可以記錄為多幅圖像，只需將數據采集 (DAQ) 模塊與掃描引擎的行尾 (EOL) 觸發同步即可。

? 將高次諧波分量與 DFRT 相結合，可以測量離子電流（例如 ESM）、熱致應變（例如 STIM）或其他諧波相關現象。

? 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。

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應用描述

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