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)相互作用來獲得樣品表面的圖像。近年來，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，常見的電學(xué)檢測設(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）來跟蹤相移，相對(duì)于感測信號(hào)而言，驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加90度的位移，而輸出振幅通過一個(gè)快速的PID控制器來進(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）來跟蹤相移，相對(duì)于感測信號(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越薄，為了降低極化電壓，可以采用共振增強(qiáng)測量的需求來增加靈敏性。雖然在固定低頻信號(hào)的鎖相測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)和平面外的組分測量。

DFRT方法描述

鎖相放大器內(nèi)部的PID控制器被用來調(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之間沒有差別，從而也就沒有誤差信號(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。