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时间分辨 SPM

相关产品: UHFLI, UHF-BOX, UHF-AWG, MFLI, UHFAWG, HDAWG

应用描述

标准的扫描探针显微镜 (SPM) 具有优秀的空间分辨率,但时间辨别能力较差。原子力显微镜 (AFM) 的探测带宽很少超过 5 MHz,而在超低噪声的扫描隧道显微镜 (STM) 中,由于对放大增益系数的要求更高,因此其前置放大器带宽会低到只有几 kHz 的水平。在使用了直接调制技术或快速数据采集的情况下,这种带宽限制在时域中的体现就是时间分辨率最多只能达到几毫秒或微秒的水平,而带宽限制了可以探测到的最快变化频率。

采用来自其他领域的泵浦-探测方法后,我们就可以结合两种技术的优点,研究短暂时间尺度中的瞬时现象,或者捕捉纳米级物体的表面随时间的变化。SPM 探针充当空间滤波器,只有针尖正下方的一部分光或者针尖携带的电脉冲才会影响所探测到的总原子力,而时间分辨率则完全由泵浦和探测脉冲之间精确的时间间隔决定。

测量策略

时间分辨 SPM 方法有很多种不同形式,具体取决于激发源(电或光)和探测方式(依赖于电流前置放大器或光电探测器)。本探测方案需要加入慢速调制频率,其作用是在探针带宽可以探测的时间尺度上得出探针响应的平均值。具体方法是采用光学斩波器,或者使用由探测脉冲作为载波携带的交流调制频率。和标准光学泵浦-探测光谱一样,每个泵浦脉冲和它之后的探测脉冲之间都要设置一个延迟,该延迟通过多个重复周期平均化,并由 Zurich Instruments MFLI 等锁相放大器 (LIA) 解调。在时间分辨 SPM 中,测得的幅值与 SPM 传感器在所选泵浦-探测延迟下的响应相对应,并且该幅值也具有空间分辨性。通过扫描该延迟,我们就能重新构建出瞬变现象在整个弛豫过程中的衰减曲线(见图)。

Application Diagram for time resolved SPM using the Zurich Instruments UHFLI Lock-in Amplifier and AWG

光激发方法可以提供最高飞秒级的优秀时间分辨率,而电激发方法则有更广的适用范围,例如电子自旋共振 (ESR)-STM 和泵浦-探测开尔文探针力显微镜,同时后者适用的时间尺度也更广,包括从毫秒级到亚纳秒级的范围。与所有泵浦-探测技术一样,该测量方案的时间分辨率与慢速原子力或电流探测器的带宽无关,而是完全由脉冲的持续时间以及泵浦与探测脉冲之间延迟的控制决定。

使用电激发泵浦-探测方法的优势在于,所有信号都能直接由任意波形发生器产生,例如 Zurich Instruments 的 HDAWG 或 UHFAWG,后者还可以包含锁相放大器以便进行探测。我们的仪器能通过任意波形发生器 (AWG) 来控制脉冲宽度、重复频率、载波频率、延迟和延迟扫描速度等各种参数,并且具有内置的锁相探测能力,或者能够与此类设备搭配使用,从而方便实现完整的 SPM 设置。

选择 Zurich Instruments 的优势

  • 采用UHFAWG 任意波形发生器 (搭配 UHF-LIA 选件) 或 UHFLI 锁相放大器 (搭配 UHF-AWG 选件),用一台仪器实现 AWG、延时扫描和锁相探测功能,快速搭建电激发泵浦-探测实验。
  • 将 MFLI 锁相放大器 与任意光激发泵浦-探测设置方案搭配使用,以实现最佳信噪比,同一台 MFLI 还可用于其它 SPM 测量,例如 PLL/PID 反馈回路和边带分析。
  • LabOne® 用户界面上提供的时域与频域分析工具可用于检查信号的优化情况,并确认信号是否与机械谐振器(AFM 中)或隧道电流(STM 中)完全同步。
  • 还可以将 UHFLI 与  UHF-BOX Boxcar 选件搭配使用,从而更进一步地实现用同一台仪器进行频域探测(使用锁相测量)和时域探测(使用 Boxcar 测量),以便从信号变化中提取出尽可能多的信息,或者对明态和暗态下不同的脉冲序列进行辨别(详见下方第一篇论文)。

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Publications

Schumacher, Z., Spielhofer, A., Miyahara, Y. & Grutter, P.

The limit of time resolution in frequency modulation atomic force microscopy by a pump-probe approach

Appl. Phys. Lett. 110 053111 (2017)

Murawski, J. et al.

Tracking speed bumps in organic field-effect transistors via pump-probe Kelvin-probe force microscopy

J. Appl. Phys. 118, 244502 (2015)

Loth, S., Etzkorn, M., Lutz, C.P., Eigler, D.M. & Heinrich, A.J.

Measurement of Fast Electron Spin Relaxation Times with Atomic Resolution

Science 329, 1628-1630 (2010)

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