原子力显微镜-红外光谱（AFM-IR）高性能扫描器

研究背景

动机

原子力显微镜-红外光谱（AFM-IR，亦称纳米红外技术）是一种令人振奋的新型分析技术，可为研究人员提供纳米尺度化学分析能力。当前领先的光诱导力显微镜（PiFM）技术能以比衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）高10亿倍的分辨率【图1】，提供化学吸收图谱与类FTIR光谱。结合原子力显微镜（AFM）形貌成像的基础功能，该技术具有极其广泛的应用前景——从研究贝壳中有机-无机生物矿物、癌组织的纳米级分析，到半导体行业缺陷检测。凭借如此广泛的应用范围，PiFM自然成为原子力显微镜与红外光谱技术的革命性延伸。

AFM-IR技术原理

AFM-IR泛指将红外（IR）光谱与原子力显微镜（AFM）结合的多种技术。AFM作为扫描探针仪器，通过锐利探针在表面进行光栅扫描记录形貌特征。为增加红外功能，需将红外激光精确聚焦于金属涂覆的AFM针尖末端。金属化针尖充当天线产生高度局域化的场增强效应，该增强电场会局部激发样品，其激发信号可通过AFM针尖或探测针尖散射光子进行测量。

AFM-IR光学响应检测方法​

样品光学激发的检测存在多种方式。最直接的方法是采用纳米傅里叶变换红外光谱（nano-FTIR）的光学检测方案，但收集AFM针尖散射光子并排除远场背景信号存在显著缺陷：光路校准繁琐、信噪比低、数据采集时间长且激光功率控制精度差[参见nano-FTIR与PiF-IR对比研究]。

另一种检测技术是通过原子力显微镜机械测量样品的热膨胀效应，即光热诱导共振（PTIR）技术（厂商多称为轻敲模式AFM-IR）。该技术依赖于样品材料的热膨胀系数，因此对有机样品最有效（因多数氧化物等无机物热膨胀系数较小）。这是轻敲模式AFM-IR最显著的局限性，此外还存在样品损伤、针尖污染、共振频率失稳及材料依赖性信号卷积等问题。这些问题的根源在于轻敲模式AFM-IR作用于范德瓦尔斯（vdW）力曲线的排斥区间，需通过针尖剧烈敲击样品产生外差检测所需的频率混合效应。详见轻敲模式AFM-IR技术说明。

最后一种AFM-IR光学响应检测方式是光诱导力显微镜（PiFM）。PiFM虽与轻敲模式AFM-IR同属机械检测技术，但规避了上述缺陷——因其是当前唯一真正的非接触式AFM-IR技术。通过工作在vdW力曲线吸引区间，PiFM不仅能检测vdW介导的热膨胀力，还可探测光机械阻尼力以及最重要的：针尖增强场导致样品局部极化产生的偶极-偶极吸引力。该技术需在非接触模式下操作，其优势在于同时适用于有机与无机材料，相比nano-FTIR或轻敲模式AFM-IR具有更高通用性与灵敏度[1]。

PiFM检测机制考量​

由于PiFM基于非接触原子力显微镜（NC-AFM），检测方案对优化红外性能至关重要。直接测力虽直观，但通过检测力梯度可获得更优的空间分辨率与灵敏度。

力梯度检测的优势在于提升系统对针尖-样品间距的敏感性：若力相互作用依赖间距(r)的关系为r⁻ˣ，则力梯度测量将依赖r⁻⁽ˣ⁺¹⁾。此举可增强测量空间分辨率——因AFM针尖顶端的原子对红外信号的贡献远大于稍远处的相邻原子。通过增加红外信号对针尖-样品z间距的依赖性，PiFM测量的分辨率与灵敏度同步提升。该效应在PiFM中通过边带检测技术实现。

反馈系统的重要性​

基于上述论证，优化AFM-IR仪器需具备两个核心特征：采用非接触式AFM红外检测方案以测量所有相关光学力，以及通过边带检测技术实现力梯度测量以提升分辨率与灵敏度。PiFM是唯一同时满足这两点的AFM-IR技术，这对仪器设计提出关键要求。

虽不显而易见，但非接触AFM与力梯度检测有一个共同的核心设计需求：针尖-样品间距的精确控制。非接触AFM需具备极高鲁棒性的反馈回路以维持针尖-样品间距且避免碰撞；力梯度检测则需保持恒定间距以防止形貌变化引起信号强度伪影。因此AFM反馈系统是PiFM仪器的核心组成部分。

传统AFM反馈机制​

为维持恒定针尖-样品间距，AFM需通过高鲁棒性反馈系统控制针尖上下运动以追踪表面形貌。其难度相当于操控波音747客机在距地仅数英寸高度飞行而不坠毁。反馈回路需快速响应表面高度变化（防止针尖碰撞），同时保持稳定性——如同赛车手快速避障时避免转向过度导致失控。

传统AFM通过移动针尖控制间距并追踪形貌，部分AFM通过移动样品实现XY扫描，但Z轴扫描器通常集成于针尖端。该设计具有显著优势：针尖质量极小易于驱动，反馈回路可同时实现高灵敏度与数微米的Z轴行程。

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IR-PiFM的AFM反馈系统​

针尖扫描系统难以适用于PiFM技术。聚焦红外光的光斑尺寸约等于波长，在中红外波段最小直径约5 μm。若通过移动针尖进行Z轴扫描，针尖将偏离红外光束导致测量失效。实际上，受场增强效应限制，针尖移动范围需控制在0.5 μm以内。为确保光束与针尖精确对准，AFM-IR仪器通常将Z扫描器集成于样品台而非针尖端。

移动样品替代针尖的方案亦存在挑战：AFM悬臂质量远小于样品台及样品的总质量，因此样品扫描系统的Z压电驱动器需更大驱动力。虽可找到兼具大行程与大负载能力的压电陶瓷，但其刚度较低导致响应速度受限。使用此类驱动器时，为在起伏形貌上保持恒定间距需大幅降低扫描速度。若缩小扫描范围（可低至2.5 μm）可提升追踪速度，但会限制样品兼容性（需额外行程补偿样品倾斜与热漂移）， effectively将AFM限于二维材料研究。

双Z压电系统​

IR-PiFM采用独特的双Z压电反馈系统，兼顾实际Z行程需求与针尖-样品恒定间距控制。

双Z压电系统融合样品扫描AFM与针尖扫描AFM的优势：样品端的大行程压电陶瓷提供宽范围Z移动（适应粗糙样品），但其无法实现高速间距恒定；针尖端的微型压电陶瓷（行程约±0.5 μm）可快速补偿样品扫描反馈误差，且不影响PiFM光路对准。

该创新方案有效解决多重矛盾，实现非接触模式下的高速表面扫描、优质形貌追踪与光学对准稳定性。

AFM-IR反馈系统现状​

基于上述信息，可考察现有AFM-IR仪器如何解决反馈问题。若双Z压电系统对优化AFM-IR性能至关重要，理论上所有仪器都应配备此系统，但事实并非如此。截至2022年夏季，Molecular Vista仍是唯一提供双Z扫描系统的AFM-IR厂商。

其原因在于：其他厂商无需制造具备如此精密AFM反馈的仪器——轻敲模式AFM-IR依赖排斥力而非吸引力相互作用，通过轻敲模式而非非接触模式运行可规避红外测量的关键反馈问题，但仍需承受轻敲模式固有的所有缺陷。基于纳米FTIR的系统亦类似：其光学散射检测方法需要更大悬臂振荡幅度以有效抑制背景信号，因此精密间距控制不那么重要。然而，制造高鲁棒性AFM是优质仪器的基本要求，既然存在无妥协的解决方案，没有理由牺牲红外性能。

总结

AFM-IR是红外光谱与原子力显微镜技术的下一代融合方案。光诱导力显微镜（PiFM）作为领先的AFM-IR技术，其优势源于非接触式原子力显微镜与力梯度检测的结合。

采用非接触模式AFM对获取多样化样品与表面的高质量数据至关重要。非接触模式使系统对更广泛的力相互作用敏感，避免了机械信号卷积、热膨胀依赖性及低信噪比等其他AFM-IR检测方案固有的问题。

另一关键考量是红外信号检测的空间分辨率。为提升分辨率，可采用PiFM边带检测技术测量力梯度而非直接测力。这使得信号更依赖于针尖-样品间距，从而同步提高分辨率与灵敏度。

由于这两点对获取最佳PiFM数据均至关重要，且都依赖于完美的针尖-样品间距控制，Z扫描器成为仪器的核心组件。多数AFM通过移动针尖进行形貌追踪，但PiFM所需的光学对准精度使该方案不可行，故改为移动样品。由于大行程样品Z扫描器速度慢，需同步使用针尖端高速Z扫描器改善追踪性能。这种双Z系统解决方案实现了无妥协的PiFM性能。因此，大多数用户选择PiFM与精心设计的AFM以获得最优AFM-IR能力。凭借如此精密的设计，PiFM拥有令人惊叹的应用范围，并提供其他分析技术无法实现的能力。

参考文献

1. J. Jahng, E. O. Potma, and E. S. Lee, “Nanoscale spectroscopic origins of photoinduced tip–sample force in the midinfrared,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 116, 26359-26366 (2019)