光诱导力显微镜（PiFM）的空间分辨率

光诱导力显微镜（PiFM）具备卓越的空间分辨率。自《科学进展》论文发表以来[1]，我们已将PiFM的空间分辨率提升至可清晰分辨周期约22纳米的PS-b-PMMA样品中各化学嵌段的水平。图1中聚苯乙烯（PS）与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）分子分别以红色与绿色标注。PS与PMMA的PiFM图像截面轮廓呈现预期反相关特性，实测周期约为21纳米（截面分析中测量两个完整周期）。每个宽度约11纳米的聚合物分子嵌段均被清晰成像，且10%-90%信号跃迁距离为5.6纳米——该数值被广泛认定为仪器的空间分辨率指标。

原子力显微镜红外（AFM IR）仪器的空间分辨率由以下判定标准决定：（1）针尖与样品相互作用的有效体积；（2）检测技术的灵敏度；（3）决定信噪比的背景信号水平。上表演示了PiFM在这些方面与竞争技术的对比结果。可观察到，相较于其他AFM IR技术，PiFM在所有判定标准上均具备优势工作条件，这为其在空间分辨率与表面灵敏度方面的卓越性能奠定了基础。

在扫描探针显微技术中，针尖与样品相互作用的有效体积通常取决于以下参数（见图2）：针尖半径tr；针尖-样品间隙间距zts；以及随zts变化的针尖-样品相互作用函数fi(zts)。这些参数与针尖形状、金属涂层产生的场增强效应及基底特性共同决定空间分辨率的下限。当fi(zts)为阶跃函数时（如光热红外技术PTIR中，针尖-样品相互作用在接触表面前始终为零），样品体积将成为空间分辨率的主要决定因素。

在PiFM技术中，光诱导吸引力决定空间分辨率，其主导函数f_i(z_ts)遵循1/z_ts⁴变化规律（或1/z_ts²，具体取决于作用力性质[2]），因此作用力幅值随z_ts增大而急剧衰减。这种快速衰减的特性导致（参照图2）fi(z’_ts)远小于fi(z_ts)，从而使针尖与样品的相互作用体积保持极小（约针尖半径量级）。几何关系表明，需尽可能减小z_ts以保持z_ts与z’_ts的比值最大化，该比值直接决定f_i(z_ts)与f_i(z’_ts)的比率关系。为实现最小实用z_ts（约1纳米），系统通过反馈悬梁臂第二机械模态（弹性系数约1000 N/m，可防止突跳接触）维持AFM针尖与样品表面恒定微间距（约1纳米），同时调制激发激光频率使调制的光诱导力（PiF）驱动AFM悬梁臂第一机械模态进行测量。

PiFM采用的金属镀层针尖物理半径为20-30纳米，但实际空间分辨率可达约5纳米。这种增强的分辨率源于针尖增强场分布远小于物理针尖轮廓的特性。图2b对比了物理针尖轮廓（上）与针尖增强场分布（下）；两个红色圆圈标注的不同”有效针尖半径”决定了空间分辨率[引自J. Appl. Phys. 89, 5774 (2001)]。

图3a展示了PiFM凭借快速衰减特性与极小针尖-样品间距实现的卓越空间分辨率，并与光热测量技术（图3b）进行对比。

在光热测量中，针尖半径对分辨率影响较小，因为在测量时间尺度内会发生热扩散效应，其影响的样品区域远大于针尖半径。因此，实际空间分辨率取决于受影响的样品体积。通常样品被沉积于高导热性基底上，一旦热前沿抵达基底，热扩散即停止传播——这使得薄膜厚度成为光热技术空间分辨率的有效估计值（前提是厚度足够（＞100 nm）以产生接触式AFM可测量的膨胀效应）。图3b示意性地展示了该原理。对于能承受高场强的样品，通过将薄层样品沉积于金基底上可在针尖与基底间产生强间隙场，使光热红外技术（PTIR）实现更高空间分辨率（约20纳米）。然而，特殊基底要求可能改变样品的天然特性。综上，PiFM是目前AFM与红外联用技术中空间分辨率最高的方法。

参考文献

1. D. Nowak et al., Sci. Adv. 2, e150157 (2016).
2. J. Jahng et al., PNAS 116 (52), 26359 (2019)