一种显微技术——在亚原子尺度上在多个方向同时探测材料

　　原子力显微镜（AFM）是一种非常敏感的技术，使我们能够通过一个精确控制的尖端来在原子尺度上对材料进行成像和/或表征它们的物理性能。然而，传统的AFM只提供与表面垂直（Z方向）的力学分量，而忽略平行于表面的分量（X和Y方向）。

　　为了充分表征纳米器件中使用的材料，在Z方向以外获得具有方向性的参数——如电子，磁性，和弹性性能——的信息是非常有必要的。也就是说，在平行于材料表面的X和Y方向上测量这些参数也是有需要的。在原子尺度上测量这些材料参数的分布将增加我们对化学成分及反应、表面形貌、分子操纵以及纳米机械操作的理解。

　　大阪大学的一个研究小组最近开发了一种基于原子力显微镜的方法，称为“双模式AFM”，以在亚原子尺度上在X、Y和Z方向（即三个维度）上获取材料表面的信息。研究人员用锗（Ge）表面作为衬底，测量了原子力显微镜针尖和材料表面在X、Y和Z方向之间的总作用力。他们的合作伙伴，斯洛伐克科学院物理研究所，进行了针尖-表面相互作用的计算机模拟。双模式原子力显微镜方法最近在《自然*物理》杂志上进行了报道。

　　“一个干净的Ge（001）表面具有交替排列的各向异性体，其每横跨一步就会旋转90°，也就是说它们显示了一个二域结构，”该文章的第一作者Yoshitaka Naitoh解释说。“我们通过在垂直方向上以弯曲共振频率震荡AFM的针尖以及在平行方向上以扭曲共振频率来探测来自每个域的力学场。

　　研究小组首先将力分量表示为矢量，然后在亚原子尺度上提供矢量在表面上方的分布。计算机模拟证实了实验的结果，揭示了化学尖端和形态的本质，特别是，有助于澄清实验中有关尖端-表面距离的悬而未决的问题。

　　“我们在三个方向上在亚原子尺度下测量了AFM尖端与Ge表面之间的力的大小和方向，”Naitoh说。“这样的测量将有助于理解功能化表面的结构和化学反应。”

　　他们所开发的这一项双模式AFM技术将使得研究人员能够在纳米尺度上更详细地研究材料的物理性质，这将促进器件、纳米技术和摩擦/润滑系统的发展。