Measurements of the contact potential difference between different materials have been performed for the first time using scanning force microscopy. The instrument has a high resolution for both the contact potential difference (better than 0.1 mV) and the lateral dimension (<50 nm) and allows the simultaneous imaging of topography and contact potential difference. Images of gold, platinum, and palladium surfaces, taken in air, show a large contrast in the contact potential difference and demonstrate the basic concept.

A modified version of the atomic force microscope is introduced that enables a precise measurement of the force between a tip and a sample over a tip-sample distance range of 30–150 Å. As an application, the force signal is used to maintain the tip-sample spacing constant, so that profiling can be achieved with a spatial resolution of 50 Å. A second scheme allows the simultaneous measurement of force and surface profile; this scheme has been used to obtain material-dependent information from surfaces of electronic materials.

We demonstrate the usefulness and high sensitivity of the atomic force microscope (AFM) for imaging surface dielectric properties and for potentiometry through the detection of electrostatic forces. Electric forces as small as 10−10 N have been measured, corresponding to a capacitance of 10−19 farad. The sensitivity of our AFM should ultimately allow us to detect capacitances as low as 8×10−22 F. The method enables us to detect the presence of dielectric material over Si, and to measure the voltage in a p-n junction with submicron spatial resolution.

Interferometric near-field optical microscopy achieving a resolution of 10 angstroms is demonstrated. The scattered electric field variation caused by a vibrating probe tip in close proximity to a sample surface is measured by encoding it as a modulation in the optical phase of one arm of an interferometer. Unlike in regular near-field optical microscopes, where the contrast results from a weak source (or aperture) dipole interacting with the polarizability of the sample, the present form of imaging relies on a fundamentally different contrast mechanism: sensing the dipole-dipole coupling of two externally driven dipoles (the tip and sample dipoles) as their spacing is modulated.

We demonstrate a new method whereby near-field optical microscope resolution can be extended to the nanometer regime. The technique is based on measuring the modulation of the scattered electric field from the end of a sharp silicon tip as it is stabilized and scanned in close proximity to a sample surface. Our initial results demonstrate resolution in the 3 nm range—comparable to what can be achieved with typical attractive mode atomic force microscopes. Theoretical considerations predict that the ultimate resolution achievable with this approach could be close to the atomic level.

A new high-resolution profilometer has been demonstrated based upon a noncontacting near-field thermal probe. The thermal probe consists of a thermocouple sensor with dimensions approaching 100 nm. Profiling is achieved by scanning the heated sensor above but close to the surface of a solid. The conduction of heat between tip and sample via the air provides a means for maintaining the sample spacing constant during the lateral scan. The large difference in thermal properties between air and solids makes the profiling technique essentially independent of the material properties of the solid. Noncontact profiling of resist and metal films has shown a lateral resolution of 100 nm and a depth solution of 3 nm. The basic theory of the new probe is described and the results presented.

Acoustic waves in liquids are known to have wavelengths comparable to that of visible light if the frequency is in the gigahertz range. The phenomena of Brillouin scattering in liquids is based on such waves. In helium near 2 K acoustic waves with a wavelength of 2000 Å were studied some ten years ago at UCLA. It follows from these observations that an imaging system based on acoustic radiation with a resolving power competitive with the optical microscope is within reach if an ideal lens free from aberrations could be found. Such a lens, which was so elusive at the beginning, is now a simple device and it is the basic component in the acoustic microscope that forms the basis for this review. In this article we will establish the characteristic properties of this new instrument. We will review some of the simple properties of acoustic waves and show how a single spherical surface formed at a solid liquid interface can serve as this ideal lens free from aberrations and capable of producing diffraction limited beams. When this is incorporated into a mechanical scanning system and excited with acoustic frequencies in the microwave range images can be recorded with acoustic wavelengths equal to the wavelength of visible light. We will present images that show the elastic properties of specimens selected from the fields of material science, integrated circuits, and cell biology. The information content in these images will often exceed that of the optical micrographs. In the reflection mode we illuminate the smooth surface of a crystalline material with a highly convergent acoustic beam. The reflected field is perturbed in a unique way that is determined by the elastic properties of the reflecting surface and it shows up in the phase of the reflected acoustic field. There is a distinct and characteristic response at the output when the spacing between the object and the lens is varied. This behavior in the acoustic ieflection microscope provides a rather simple and direct means for monitoring the elastic parameters of a solid surface. It is easy to distinguish between different materials, to determine the layer thickness, and to display variations in the elastic constants on a microscopic scale. These features lead us to believe there is a promising future for the field of acoustic microscopy.

Photoinduced force microscopy resolves nanometer-scale topology with chemical recognition based on material absorption.

Early-stage detection prevents disease progression and complications in treatment procedures, especially for infectious diseases. This requires rapid and accurate sensing technologies and techniques that remove the need for expensive and time-consuming sample preparation and transfer to the labs and the running of multiple experiments. To that end, point-of-care (POC) testing has been introduced for quick disease diagnostics that enables caregivers to start early treatment, leading to improved health outcomes. Here, we introduce a tunneling current bio-sensing technology based on a metal–insulator–electrolyte junction, which is highly sensitive to charge variations at the insulator–electrolyte interface. The charge variations occur as a response of hybridization of complementary DNA sequences to DNA primers immobilized on the insulator surface. This leads to the label-free detection of as little as tens of DNA molecules or, equivalently, samples with 0.01 fM concentrations. Since the sensing is based on a single terminal measurement of current with respect to a reference electrode, our technology can enable the creation of novel compact medical and portable POC devices for real-time disease detection.