The scanning tunneling microscope is proposed as a method to measure forces as small as ${10}^{\ensuremath{-}18}$ N. As one application for this concept, we introduce a new type of microscope capable of investigating surfaces of insulators on an atomic scale. The atomic force microscope is a combination of the principles of the scanning tunneling microscope and the stylus profilometer. It incorporates a probe that does not damage the surface. Our preliminary results in air demonstrate a lateral resolution of 30 \AA{}A and a vertical resolution less than 1 \AA{}.

The atomic force microscope (AFM) can be used to image the surface of both conductors and nonconductors even if they are covered with water or aqueous solutions. An AFM was used that combines microfabricated cantilevers with a previously described optical lever system to monitor deflection. Images of mica demonstrate that atomic resolution is possible on rigid materials, thus opening the possibility of atomic-scale corrosion experiments on nonconductors. Images of polyalanine, an amino acid polymer, show the potential of the AFM for revealing the structure of molecules important in biology and medicine. Finally, a series of ten images of the polymerization of fibrin, the basic component of blood clots, illustrate the potential of the AFM for revealing subtle details of biological processes as they occur in real time.

Atomic force microscopy (AFM) is a newly developed high resolution microscopy technique which is capable of mapping forces near surfaces or, by means of these forces, the topography of the surface itself. In one mode of operation, AFM can resolve individual atoms on both conducting and insulating surfaces. A crucial component for the AFM is a flexible force-sensing cantilever stylus, whose properties should include, among other things: a sharp tip, a low force constant, and a high mechanical resonance frequency. These requirements can be met by reducing the size of the cantilever stylus through microfabrication techniques and employing novel methods to construct a sharp tip. Presented here are a number of microfabrication processes for constructing cantilever styli with properties ideal for the AFM. These fabrication processes include (1) a method for producing thin film SiO2 or Si3N4 cantilevers without tips, (2) a method for producing Si3N4 cantilevers with integrated pyramidal tips formed by using an etch pit on the (100) surface of Si as a mold, (3) a method for producing SiO2 cantilevers with conical tips formed by a combination of isotropic and anisotropic plasma etching of a small Si post, and (4) a method for producing SiO2 cantilevers with integrated tetrahedral tips formed by anisotropically etching a corner of a small Si post to a sharp point. Each of these processes uses a (100) Si wafer as a substrate and relies on conventional batch fabrication techniques. The quality (i.e., sharpness) of the tips produced by the above methods matches or exceeds that of conventional tips used in the AFM or scanning tunneling microscope (STM). Alternative methods for producing tips by evaporation of material through an orifice or by selective chemical vapor deposition of W metal into a pyramidal etch pit in Si have been demonstrated, but these methods have not yet been successfully used in cantilever assemblies.

A new detection scheme for atomic force microscopy (AFM) is shown to yield atomic resolution images of conducting and nonconducting layered materials. This detection scheme uses a piezoresistive strain sensor embedded in the AFM cantilever. The cantilever is batch fabricated using standard silicon micromachining techniques. The deflection of the cantilever is measured directly from the resistance of the piezoresistive strain sensor without the need for external deflection sensing elements. Using this cantilever we achieved 0.1 Årms vertical resolution in a 10 Hz–1 kHz bandwidth.

We have fabricated and operated two cantilevers in parallel in a new mode for imaging with the atomic force microscope (AFM). The cantilevers contain both an integrated piezoresistive silicon sensor and an integrated piezoelectric zinc oxide (ZnO) actuator. The integration of sensor and actuator on a single cantilever allows us to simultaneously record two independent AFM images in the constant force mode. The ZnO actuator provides over 4 μm of deflection at low frequencies (dc) and over 30 μm deflection at the first resonant frequency. The piezoresistive element is used to detect the strain and provide the feedback signal for the ZnO actuator.

This letter reports the development of a mechanically scanned acoustic microscope showing 10-μm resolution. Using single-surface lenses an acoustic beam is focused with negligible spherical aberration in a water cell. The image is formed by mechanically scanning an object through this focused beam in a raster pattern. Transmitted power is detected with a piezoelectric transducer, and this signal modulates the synchronized raster of a CRT display. By employing piezoelectric detection, sensitivities of 10−8 W/cm2 are obtained, yielding images of excellent clarity and contrast.

We have demonstrated the capability of the atomic force microscope to image the surface of an electrically insulating solid with atomic resolution. Images of highly oriented pyrolytic boron nitride taken in air show atomic corrugations with a lateral resolution better than 3 Å. Low-noise images of graphite and molybdenum disulfide are also 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.