氟化钙表面非接触原子力显微镜成像中针尖极性变化的偏好机制

本研究针对非接触原子力显微镜（NC-AFM）在CaF2(111)表面成像时因针尖极性变化导致的对比度不稳定性问题，通过室温与低温实验系统分析了针尖极性维持型与极性转换型变化的特征规律。研究发现，72%的针尖变化倾向形成负极性终止，揭示了氟化钙表面成像中负极性针尖构型更具稳定性的新机制，为提升原子级表面成像可靠性提供了关键实验依据。

　　

在探索物质表面原子结构的科学征途中，非接触原子力显微镜（NC-AFM）犹如科学家手中的原子级"眼睛"。然而，这双"眼睛"的"视力"常因针尖结构的微小变化而模糊——尤其在室温环境下，针尖易吸附表面原子或发生重构，导致成像对比度突变。这一问题在氟化钙（CaF₂）这类离子晶体表面尤为突出，因其钙离子（Ca²⁺）与氟离子（F^-）的电荷差异对针尖极性极度敏感。如何区分针尖结构变化与真实表面信号？德国马普学会弗里茨·哈伯研究所（Fritz Haber Institute）的研究团队通过创新性对比度解析模型，揭示了针尖极性变化的隐秘规律，成果发表于《Beilstein Journal of Nanotechnology》。

关键技术方法
团队结合室温（300K）与低温（77K）NC-AFM成像：

1. 样本制备：体相CaF₂(111)晶体通过超高真空解理获得，薄膜样本采用分子束外延在Si(111)表面生长CaF₂/CaF异质结构；
2. 成像模式：采用频率调制模式，室温实验以石英音叉探针实现"准恒定高度"成像，低温实验通过原子追踪系统实现"真恒定高度"成像；
3. 对比度解析：建立距离依赖的对比度演化模型（C₁/C₃/C₄*对应正针尖，C₂/C₄对应负针尖），通过单元胞平均化提取?11?2?方向的对比度剖面线。

研究结果
? 极性维持型针尖变化（图2）
室温下观察到对比模式C₁→C₁（强度突变）和C₄→C₂（模式转换）的瞬时变化，对比度剖面线证实极性未变，归因于针尖原子重排而非电荷反转。

? 极性转换型针尖变化（图3）
跨温度实验捕获两种典型转换：

• 负→正转换：室温下C₂（负针尖）突变为C₃（正针尖）
• 正→负转换：低温下C₁（正针尖）突变为C₄（负针尖）
  表面模型叠加证实转换伴随针尖-样品静电相互作用反转。

? 负极性针尖的稳定性偏好（图4）
213组室温成像统计显示：

• 67%图像呈现负针尖对比模式
• 针尖变化事件中72%转向负极性
  渐进式逼近实验表明，初始正针尖经极性转换后，最终在近距离稳定于C₄模式（负针尖）。

? 温度依赖行为
低温环境仅观测到极性转换型变化，未发现极性维持型事件，印证热扰动是室温针尖不稳定的主因。

结论与意义
本研究首次通过对比度演化模型解码了NC-AFM成像中针尖变化的"黑箱"：

1. 机制解析：针尖变化可分为极性维持型（原子重排）和极性转换型（电荷反转），后者可能源于针尖捕获表面F^-离子；
2. 稳定性法则：负极性针尖在CaF₂(111)表面具有显著稳定性优势（占比72%），为优化探针制备提供方向；
3. 技术革新：建立的C₁-C₄*对比度诊断标准，使原子级表面成像的可靠性判断从经验走向量化。
   该成果不仅解决了氟化物表面成像的针尖漂移难题，更为离子晶体、半导体材料的原子尺度表征建立了普适性分析框架。