AFM應用-雙頻共振追蹤(DFRT)

應用說明：

雙頻共振追蹤 Dual-Frequency Resonance Tracking（DFRT）是一種接觸模式原子力顯微鏡（AFM） 技術，用於測量樣品中微弱的電響應或機械響應訊號。

傳統的共振追蹤技術依賴於鎖相迴路（PLL） 來保持相位恆定，但對於像鐵電材料（ferroelectric materials） 或其他具有相位反轉（phase reversal） 特性的材料，PLL 方法會失效，因為不同的區域會導致相位反轉。

DFRT 的優勢在於，它僅使用共振幅值（resonant amplitude） 作為回授信號（feedback），即使樣品有相位反轉，也能精準追蹤共振頻率。

DFRT 技術常用於以下應用：

• 壓電響應力顯微鏡（PFM）
• 電化學應變顯微鏡（ESM）：對 離子電流引起的應變 特別敏感
• 掃描熱離子顯微鏡（STIM）：測量由熱振盪引起的應變

DFRT 對於鐵電薄膜（ferroelectric thin films） 及多鐵性材料（multiferroic materials） 的表徵尤其重要。共振增強測量可檢測到更微弱的信號，並允許使用更低的極化電壓，從而避免薄膜擊穿。在塊體材料研究中，通常會在低頻下進行鎖相測量，而對於奈米尺度的機械響應，DFRT 的接觸共振技術可顯著提高靈敏度。

量測方法：

第一步是識別接觸共振（CR），方法是當 AFM 探針與樣品接觸時，掃描由電激發或機械激發的輸出頻率。

接著，可以在訊號輸出端產生振幅調變訊號（AM），在接觸共振點兩側形成兩個邊帶振幅 A1 和 A2。在圖中，紅色曲線顯示了 A2 - A1 隨驅動頻率變化的關係：該差值在共振附近呈現單調變化，且具有良好的增益靈敏度，因此可作為回授信號（feedback）。

Zurich Instruments 鎖相放大器內建的 PID 控制器（可透過 PID Advisor 進行最佳化）會調整在頻率 fc ± fm 處測得的邊帶振幅差 A2' - A1'。這個振幅差被作為 PID 控制器的誤差信號（error signal），用來調整中心頻率 fc。

當由於探針與樣品之間的交互作用導致共振頻率改變時，測得的振幅差 A2' - A1 會發生變化，PID 控制器因此調整驅動頻率，保持追蹤共振，如圖所示。在共振點上，A1 和 A2 相等，因此設定的目標值（setpoint）為 零。

在多鐵性材料（multiferroic）測量及相關的 PFM 模式中，驅動訊號輸出會直接加到偏壓電壓（bias voltage）。若訊號輸出端連接至與樣品機械耦合的壓電驅動器（shaker piezo），則可觀察到樣品的奈米機械響應。

標準PFM 與DFRT-PFM 比較：

產品亮點：

UHFLI – 600 MHz 鎖相放大器

• 2× DC–600 MHz，12-bit 高速輸入
• 最多 4 路平行 PID/PLL 閉迴路（需選購 UHF-PID）
• PID Advisor 與 Auto-Tune 自動優化控制迴路
• 最多同時解調 8 個諧波或頻率

HF2LI – 50 MHz 鎖相放大器

• 2× DC–50 MHz，14-bit 輸入
• 最多 4 路平行 PID + 2 路 PLL（需選購 HF2-PID/HF2-PLL）
• PID Advisor 與 Auto-Tune 提升回授精度
• 最多同時解調 6 個諧波或頻率

選擇 Zurich Instruments 的優勢：

• 雙模激發、邊帶檢測、PID 回授，皆可透過同一台鎖相放大器完成。
• HF2LI 可同時測量 平面內與平面外響應，完整解析 壓電向量場（大小、方向、極性）。
• 共振增強技術 提升靈敏度，即使在無法使用 PLL 的情況下也能應用。
• 可直接加裝於第三方 AFM，只需可存取探針偏壓與感測器訊號即可。
• 可同步擷取內部多通道資料並輸出影像，結合 DAQ 模組 與 掃描引擎 EOL 觸發。
• 可量測 高次諧波，對離子電流、熱致應變等響應更靈敏。
• 自動追蹤共振頻率，降低地形效應交叉干擾，特別適合高表面粗糙度樣品。

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