原子力显微镜（AFM）作为一种强大且应用广泛的纳米级成像技术，极大地革新了我们在原子和分子尺度层面对表面及材料的认知。凭借其在纳米尺度下实现高分辨率成像、力测量以及材料操控的卓越能力，AFM 已然成为材料科学、生物学和纳米技术等诸多领域中不可或缺的关键工具。
AFM 的核心工作原理在于，通过在样品表面扫描尖锐探针，并维持探针与样品间力或高度的恒定，进而实现对表面形貌和性质的精准探测。在这一过程中，探针与样品间的相互作用力被敏锐捕捉并转化为极具价值的数据，使我们能够深入了解表面特征、粗糙度、粘附力以及弹性等多方面的信息。AFM 技术发展历程中的一项重大突破，便是多种传感器方法的开发，这些方法能够对上述相互作用力进行精确测量。
在本文中，我们将深入探讨原子力显微镜（AFM）在测量探针尖端所受力或变形时所采用的各类检测方法。详细剖析这些方法的原理、优势以及存在的不足之处。其中，我们会特别聚焦于压电力显微镜（PFM）。PFM 通过运用激光多普勒测振（LDV）技术实现干涉式位移传感（IDS），为检测工作提供了精准且可靠的技术支撑。
光学光束检测 —— 原子力显微镜的主流检测方法
当前，几乎所有商用原子力显微镜（AFM），均采用 “光学光束检测”（OBD）技术 —— 有时也称作 “光束反射” 检测技术，来感知探针的位移变化。如图 1 所示，激光二极管或超辐射二极管发射的光束，聚焦于悬臂梁的背面。
反射光束被引导至四象限光电探测器上，探测器的中心位置经过校准，保证每个象限接收到的光强基本相等。当悬臂梁因外力产生弯曲时，反射光束的角度发生变化，导致探测器上光斑的位置相应改变。
具体而言，悬臂梁向上或向下弯曲时，光斑将沿垂直方向移动；悬臂梁发生扭转时，光斑则会出现横向位移。光斑的这些移动，可通过探测器象限上光强比例的变化精确测量。这项技术在 AFM 诞生后不久便被成功开发，凭借实施简单、成本低廉，且检测噪声极低（通常为 200 - 300 fm/√Hz）的优势，时至今日，依然是 AFM 领域主流的偏转检测技术 。
尽管这种标准检测方法在众多应用场景中展现出了卓越的有效性，但在面对某些特殊力作用于探针尖端的情况时，仍然暴露出一定的局限性，典型的应用场景如压电力显微镜（PFM）测量。
利用 PFM 测量表征压电和铁电材料
压电力显微镜（PFM）基于原子力显微镜（AFM）技术发展而来，自 20 世纪 90 年代初问世，迅速成为纳米尺度下表征压电和铁电材料的顶尖技术。
压电效应指材料受机械应力作用时产生电荷的现象。同时，这类材料还具有逆压电效应，即在电场作用下会产生机械变形，这构成了所有 PFM 技术的工作基础。
PFM 最基础的工作过程为：导电的 AFM 探针与压电或铁电样品接触，通过悬臂梁向样品施加交流偏置电压（Vtip）。样品在电场作用下产生变形，该变形致使悬臂梁发生偏转。AFM 悬臂梁的光学检测系统会对这一偏转进行测量，随后将信号传输至锁相放大器，以便还原信号的幅度与相位。其中，信号幅度（A）与有效压电耦合系数（deff = A/Vtip ）的大小呈正比，而相位则能反映材料的极化方向。
不过，PFM 测量的信噪比会制约其在机电响应极弱材料上的应用。为突破这一限制，科研人员采取了多种举措，以提升测量方法的灵敏度，规避测量假象。但对这些假象的深入探讨并不在本文讨论范畴之内。即便如此，有一种与共振相关的测量假象依然存在。它由光学光束检测（OBD）方法，以及悬臂梁和样品之间的静电力共同引发。
当在探针和样品间施加交流偏置电压时，即便样品并无真实的机电响应，悬臂梁和样品间的静电力（电容力）也可能激发悬臂梁共振。在这种情况下，探针尖端虽未移动，但悬臂梁会依据自身的特征弯曲模式产生弯曲。OBD 方法能够检测到悬臂梁的这些角度变化，即便探针尖端没有垂直位移（见图 2）。换言之，OBD 方法本质检测的是悬臂梁的角度变化，因而即便探针尖端静止，该方法依然会检测到相应变化。
• A 场景：当探针位于样品表面，且悬臂未受静电力作用时，光梁偏转（OBD）探测器上的光斑读数归零。
• B 场景：探针仍处于样品表面时，静电力会致使悬臂向上弯曲。此时，即便样品并未产生压电响应，OBD 系统仍会生成虚假的挠度信号。
• C 场景：同理，当静电力使悬臂向下弯曲，OBD 同样会反馈虚假的挠度信号。
值得注意，在 A、B、C 这三种场景下，由于样品无压电响应，探针始终没有发生位移。然而，悬臂与样品间的静电相互作用，致使悬臂发生弯曲，进而改变了悬臂的角度。
LDV 助力克服 PFM 测量中的 OBD 静电伪像
针对 OBD 在 PFM 测量中的这些缺点，牛津仪器公司的 Asylum Research 开发了 Cypher 干涉式位移传感器（IDS）AFM。这款 AFM 集成了激光多普勒测振仪（LDV），它可以在使用标准 OBD 技术的同时，通过干涉测量悬臂梁的偏转（图 3）。与 OBD 相比，干涉测量有几个优点：
- 它直接测量悬臂梁的位移（而 OBD 测量的是与角度成正比的量）。
- 测量本身由激光波长校准（而 OBD 每次调整都需要校准）。
- 其悬臂梁偏转的噪声本底比典型的 OBD低2~3倍（通常 < 100 fm/√Hz）。
对压电力显微镜（PFM）测量而言，最关键的在于，激光多普勒测振（LDV）系统的激光光斑，能够精准定位到探针尖端上方（见图 4D~E）。在此位置，LDV 测量仅对探针的实际位移产生响应，不会受到悬臂共振模式形态的干扰。下文将阐述，这一特性让 PFM 测量能够规避棘手的静电干扰，大幅提升测量的准确性与可靠性 。
（D~E）当 IDS 激光光斑精准定位到可见尖端探针的尖端时，IDS 将仅对探针尖端位移展开测量，这种设计能够有效排除静电干扰对测量的影响，大幅提升测量精度。
周期性极化铌酸锂（PPLN）的 PFM 测量
周期性极化铌酸锂（PPLN）是压电力显微镜（PFM）测量中常用的标准测试样品。理论上，PPLN 应展现出与频率无关的响应特性，无论极化方向如何，其幅度响应都保持一致，且在极化方向相反的区域之间，会产生 180° 的相移。
然而，从图4A~C可以明显看出，在实际 PFM 测量中，若采用传统的光梁检测（OBD）悬臂梁偏转测量技术，PPLN 并未呈现出上述预期特征。不仅如此，对有效耦合系数的多次重复测量结果波动极大（图4D）。这些与理论预期相悖的现象，清晰地表明测量过程存在问题。直到近期，研究才明确将其根源归结于静电伪像的干扰。
总的来说，与光梁检测技术相关的静电伪像，给 PFM 测量结果的分析和解读带来极大的不确定性。这些伪像可能会以磁滞回线的形式，输出错误的铁电性信号，严重干扰对铁电材料的准确识别。同时，它们还会导致压电响应（d33）的测量结果出现显著偏差，使得不同压电或铁电材料之间难以进行定量比较。鉴于准确识别铁电材料、实现材料间压电性能的定量比较，是 PFM 测量的两大核心目标，因此，消除静电伪像的干扰显得尤为重要。
基于干涉测量技术的原子力显微镜，如 Asylum Research 公司的 Cypher IDS，可直接测量探针的位移，且不受静电力的影响。这一特性使得 PFM 测量结果与 PPLN 的理论预期高度吻合（图4E~F），并且在多次测量过程中，展现出极高的重复性（图4D）。
OBD 测量中出现的偏差，源于其测量过程对频率变化极为敏感。如图 C 所示，OBD 测量的振幅响应极易受悬臂共振影响，而 Cypher IDS 测量基本不受频率变化干扰。因此在D图中，使用 OBD 时，有效压电系数（deff）测量结果波动极大、缺乏一致性；Cypher IDS 则能给出高度稳定、可重复的测量数据。
结论
Cypher IDS 由牛津仪器旗下 Asylum Research 与 Polytec 携手研发。凭借突破性的技术优势，它迅速成为压电和铁电材料机电特性表征领域的行业标杆。
在测量过程中，Cypher IDS 有效规避了静电伪像的干扰，精准获取材料的机电响应数据。借助这一特性，研究人员不仅能够清晰描绘铁电材料的极化切换磁滞回线，实现对铁电特性的直观呈现，还率先达成了对压电和铁电材料机电耦合系数的高精度、高重复性测量。
这种可靠的测量方式，为深入研究压电和铁电材料的物理性质，提供了强有力的技术支撑，极大地推动了相关领域的科研进展与产业应用。
References
1. A. Labuda and R. Proksch, Appl. Phys. Lett. 106, 253103 (2015).
This article is an adaptation of the application note by Oxford Instruments Asylum Research Inc.: Cypher IDS AFM Enables More Quantitative Piezoresponse Force Microscopy
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