A new frequency modulation (FM) technique has been demonstrated which enhances the sensitivity of attractive mode force microscopy by an order of magnitude or more. Increased sensitivity is made possible by operating in a moderate vacuum (<10−3 Torr), which increases the Q of the vibrating cantilever. In the FM technique, the cantilever serves as the frequency determining element of an oscillator. Force gradients acting on the cantilever cause instantaneous frequency modulation of the oscillator output, which is demodulated with a FM detector. Unlike conventional ‘‘slope detection,’’ the FM technique offers increased sensitivity through increased Q without restricting system bandwidth. Experimental comparisons of FM detection in vacuum (Q∼50 000) versus slope detection in air (Q∼100) demonstrated an improvement of more than 10 times in sensitivity for a fixed bandwidth. This improvement is evident in images of magnetic transitions on a thin-film CoPtCr magnetic disk. In the future, the increased sensitivity offered by this technique should extend the range of problems accessible by force microscopy.

Self-assembling materials spontaneously form structures at length scales of interest in nanotechnology. In the particular case of block copolymers, the thermodynamic driving forces for self-assembly are small, and low-energy defects can get easily trapped. We directed the assembly of defect-free arrays of isolated block copolymer domains at densities up to 1 terabit per square inch on chemically patterned surfaces. In comparing the assembled structures to the chemical pattern, the density is increased by a factor of four, the size is reduced by a factor of two, and the dimensional uniformity is vastly improved.

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 atomic force microscope, which combines a microfabricated cantilever with an optical lever detection system, now makes it possible to measure the absolute force applied by a tip on a surface. This absolute force has been measured as a function of distance (=position of the surface) in air and water over a range of 600 nm. In the absolute force versus distance curves there are two transitions from touching the surface to a total release in air caused by van der Waals interaction and surface tension. One transition is due to lifting off the surface; the other is due to lifting out of an adsorbed layer on the surface. In water there is just one transition due to lifting off the surface. There is also a transition in air and water when the totally released tip is pulled down to touch the surface as the surface and tip are brought together. Based on the force versus distance curves, we propose a procedure to set the lowest possible imaging force. It can now be as low as 10−9 N or less in water and 10−7 N in air.

The atomic force microscope (AFM) is a promising new method for studying the surface structure of both conductors and insulators. In mapping a graphite surface with an insulating stylus, we have achieved a resolution better than 2.5 Å.

Bit Patterned Media (BPM) for magnetic recording provides a route to thermally stable data recording at >1 Tb/in 2 and circumvents many of the challenges associated with extending conventional granular media technology.Instead of recording a bit on an ensemble of random grains, BPM is comprised of a well ordered array of lithographically patterned isolated magnetic islands, each of which stores one bit.Fabrication of BPM is viewed as the greatest challenge for its commercialization.In this article we describe a BPM fabrication method which combines rotary-stage e-beam lithography, directed self-assembly of block copolymers, self-aligned double patterning, nanoimprint lithography, and ion milling to generate BPM based on CoCrPt alloy materials at densities up to 1.6 Td/in 2 (teradot/inch 2 ).This combination of novel fabrication technologies achieves feature sizes of <10 nm, which is significantly smaller than what conventional nanofabrication methods used in semiconductor manufacturing can achieve.In contrast to earlier work which used hexagonal closepacked arrays of round islands, our latest approach creates BPM with rectangular bitcells, which are advantageous for integration of BPM with existing hard disk drive technology.The advantages of rectangular bits are analyzed from a theoretical and modeling point of view, and system integration requirements such as provision of servo patterns, implementation of write synchronization, and providing for a stable head-disk interface are addressed in the context of experimental results.Optimization of magnetic alloy materials for thermal stability, writeability, and tight switching field distribution is discussed, and a new method for growing BPM islands from a specially patterned underlayer -referred to as "templated growth" -is presented.New recording results at 1.6 Td/in 2 (roughly equivalent to 1.3 Tb/in 2 ) demonstrate a raw error rate <10 -2 , which is consistent with the recording system requirements of modern hard drives.Extendibility of BPM to higher densities, and its eventual combination with energy assisted recording are explored.

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.

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