应用案例

实验名称：横向偏转优化扫描焦耳膨胀显微镜（L-SJEM）的亚皮米位移检测实验

引言：为满足亚皮米级针尖位移检测在高精度表征技术中的核心需求，解决现有方法依赖专用原子力显微镜探针导致成本高、系统复杂度高的痛点，本研究设计并验证了横向偏转优化策略在扫描焦耳膨胀显微镜（SJEM）中的应用。通过利用倾斜AFM探针的扭转响应对变形信号进行放大，将检测灵敏度提升近一个数量级，实现了0.37pm的创纪录位移分辨率，同时支持灵敏度灵活调节及面内/面外位移解耦，为高灵敏度位移检测提供了可迁移的AFM基通用方案，可为纳米尺度材料与器件的高精度表征分析提供指导。

实验目的：本研究旨在通过悬臂梁扭转响应的理论建模、光学杠杆放大效应分析、L-SJEM系统搭建及性能测试，验证所提出的横向偏转优化策略在位移检测灵敏度、信噪比、空间分辨率上的提升效果，同时验证其面内/面外热膨胀信号分离能力、灵敏度随法向力的可调特性，以及在纳米材料缺陷检测场景的适用性，最终证实该策略作为通用AFM基位移检测方法的可行性与推广价值。

测试设备：原子力显微镜、锁相放大器（ATA-5810）、信号发生器、电子束光刻系统、金属蒸镀设备、扫描电子显微镜、拉曼光谱仪、COMSOL多物理场仿真平台，以及用于样品制备的光刻胶旋涂台、引线键合设备、样品台等配套装置。

实验过程：首先通过COMSOL软件的电场、传热及固体力学模块仿真样品工作条件下的温度分布与热膨胀幅度，同步采用电子束光刻、金属蒸镀及剥离工艺制备金线、等腰梯形金膜样品，并通过镓离子辐照制备含缺陷的石墨烯器件；随后通过AFM力曲线测试校准悬臂梁垂直与横向偏转的位移灵敏度，设置10kHz的正弦激励电压（高于AFM反馈带宽）避免形貌信号干扰，开展悬臂梁扫频实验验证扭转响应特性；接着搭建L-SJEM测试平台，在22nN、65nN、218nN等不同法向力条件下采集样品的偏转信号，通过正反扫描信号的差分运算分离面内、面外热膨胀分量，测试灵敏度随法向力的调控规律；最后将L-SJEM应用于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）包覆的石墨烯器件及缺陷石墨烯样品的热成像测试，验证其弱信号检测与缺陷识别能力。

图1.光电探测器上显示的悬臂响应原理示意与系统组成图。

(a)扭转示意图。(b)横向偏转。(c)激励引起的额外横向偏转。

(d)弯曲示意图。(e)垂直偏转。(f)激励引起的额外垂直偏转。

(g)L-SJEM系统示意图。

该系统由以下部分组成：压电位移扫描模块、Z传感器反馈环、光电二极管、锁相放大器ATA-5810以及提供交流电源。AFM探针在接触模式下检测膨胀。

实验结果：基于横向偏转优化的L-SJEM性能显著优于传统垂直偏转SJEM：信噪比达168，较传统方法提升近一个数量级；位移检测分辨率达0.37pm，为当前SJEM领域的最高水平，空间分辨率可达10nm；测量灵敏度可通过法向力灵活调控，法向力从22nN提升至65nN时信号增强约13%，且在150nN以内保持线性响应；可精准分离面内、面外热膨胀分量，实验中面外膨胀信号强度通常为面内的2-3倍；应用于石墨烯缺陷检测时，可识别出无拓扑形貌特征的辐照缺陷区域，缺陷区信号较非缺陷区降低约2pm，也可通过PMMA包覆放大表面形变，清晰观测到石墨烯-金属接触处的热点与缺陷位点，各项指标均优于现有SJEM报道水平，完全满足纳米尺度高精度热表征的需求，证实了该策略的有效性。

图2 样品A和B的形貌、SJEM图像以及模拟温度场

(a)样品A扫描区域的形貌。(b)样品A基于垂直偏转的SJEM和(c)L-SJEM图像。

(d)模拟温度场，样品B(e)基于垂直偏转的SJEM和(f)L-SJEM图像。

(g)焦耳膨胀轮廓。左上角插图显示了样品B的SEM图像。

右下角插图描绘了温度场的三维映射。蓝色实线、红色实线和黑色点划线分别代表在黑色虚线位置从垂直偏转、横向偏转和模拟中获得的热膨胀信号。

为便于比较，信号已归一化。分别基于(b,c)中白色虚线处的(h)垂直偏转和(i)横向偏转提取的焦耳膨胀曲线。

图3 样品A的热膨胀响应与法向力的关系。

(a)在样品A中测得的热膨胀随法向力增加的变化关系。

红、黑空心圆分别代表在不同法向力下，基于横向和垂直偏转测量同一形变获得的热膨胀信号。

红色实线是对探针与样品表面达到稳定法向力区域的数据进行的线性拟合。

红色区域代表从线性区域内的残差计算得出的±2σ偏差极限（经验95%覆盖率）。

(b)探针扭转角与法向力之间关系的示意图。在法向力分别为(c)22nN、(d)65nN和(e)218nN时获取的L-SJEM图像。

锁相放大器在该实验中发挥的效能：本实验中所用的ATA-5810型锁相放大器承担微弱信号提取的核心效能，可将光电探测器采集到的被噪声淹没的纳伏级悬臂梁偏转信号精准解调，提取与10kHz焦耳加热激励同频的热膨胀诱导偏转信号，是实现亚皮米级位移检测的关键信号处理单元，为位移分辨率量化、热膨胀信号分析提供可靠的原始数据支撑；

选择该功率放大器的原因：高灵敏度、低本底噪声特性，拥有优异的同频信号选择性、相位稳定性与动态储备能力，可保障测试结果的准确性与重复性。

选自谷歌：Jiang, Q., Qiao, B., Ding, X., Xu, Y. & Hu, H. Lateral deflection-based optimization achieves sub-picometer detection limit. Microsyst. Nanoeng. 12, 4 (2026).

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