We present the implementation of a three-dimensional mapping routine for probing solid-liquid interfaces using frequency modulation atomic force microscopy. Our implementation enables fast and flexible data acquisition of up to 20 channels simultaneously. The acquired data can be directly synchronized with commercial atomic force microscope controllers, making our routine easily extendable for related techniques that require additional data channels, e.g., Kelvin probe force microscopy. Moreover, the closest approach of the tip to the sample is limited by a user-defined threshold, providing the possibility to prevent potential damage to the tip. The performance of our setup is demonstrated by visualizing the hydration structure above the calcite (10.4) surface in water.

1.
T.
Fukuma
,
K.
Kobayashi
,
K.
Matsushige
, and
H.
Yamada
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
034101
(
2005
).
2.
S.
Rode
,
N.
Oyabu
,
K.
Kobayashi
,
H.
Yamada
, and
A.
Kühnle
,
Langmuir
25
,
2850
(
2009
).
3.
Y.
Araki
,
K.
Tsukamoto
,
N.
Oyabu
,
K.
Kobayashi
, and
H.
Yamada
,
Jpn. J. Appl. Phys.
51
,
08KB09
(
2012
).
4.
P.
Spijker
,
T.
Hiasa
,
T.
Musso
,
R.
Nishioka
,
H.
Onishi
, and
A. S.
Foster
,
J. Phys. Chem. C
118
,
2058
(
2014
).
5.
T.
Fukuma
,
A. S.
Mostaert
,
L. C.
Serpell
, and
S. P.
Jarvis
,
Nanotechnology
19
,
384010
(
2008
).
6.
M.
Schreiber
,
M.
Eckardt
,
S.
Klassen
,
H.
Adam
,
M.
Nalbach
,
L.
Greifenstein
,
F.
Kling
,
M.
Kittelmann
,
R.
Bechstein
, and
A.
Kühnle
,
Soft Matter
9
,
7145
(
2013
).
7.
M.
Pfreundschuh
,
D.
Alsteens
,
M.
Hilbert
,
M. O.
Steinmetz
, and
D. J.
Müller
,
Nano Lett.
14
,
2957
(
2014
).
8.
R.
Momper
,
M.
Nalbach
,
K.
Lichtenstein
,
R.
Bechstein
, and
A.
Kühnle
,
Langmuir
31
,
7283
(
2015
).
9.
T.
Fukuma
,
Y.
Ueda
,
S.
Yoshioka
, and
H.
Asakawa
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
016101
(
2010
).
10.
K.
Kimura
,
S.
Ido
,
N.
Oyabu
,
K.
Kobayashi
,
Y.
Hirata
,
T.
Imai
, and
H.
Yamada
,
J. Chem. Phys.
132
,
194705
(
2010
).
11.
H.
Asakawa
,
S.
Yoshioka
,
K.
Nishimura
, and
T.
Fukuma
,
ACS Nano
6
,
9013
(
2012
).
12.
H.
Imada
,
K.
Kimura
, and
H.
Onishi
,
Langmuir
29
,
10744
(
2013
).
13.
C.
Marutschke
,
D.
Walters
,
J.
Cleveland
,
I.
Hermes
,
R.
Bechstein
, and
A.
Kühnle
,
Nanotechnology
25
,
335703
(
2014
).
14.
B. J.
Albers
,
T. C.
Schwendemann
,
M. Z.
Baykara
,
N.
Pilet
,
M.
Liebmann
,
E. I.
Altman
, and
U. D.
Schwarz
,
Nat. Nanotechnol.
4
,
307
(
2009
).
15.
C.
Moreno
,
O.
Stetsovych
,
T. K.
Shimizu
, and
O.
Custance
,
Nano Lett.
15
,
2257
(
2015
).
16.
E. T.
Herruzo
,
H.
Asakawa
,
T.
Fukuma
, and
R.
Garcia
,
Nanoscale
5
,
2678
(
2013
).
17.
K.
Umeda
,
K.
Kobayashi
,
N.
Oyabu
,
K.
Matsushige
, and
H.
Yamada
,
Nanotechnology
26
,
285103
(
2015
).
18.
K.
Suzuki
,
K.
Kobayashi
,
N.
Oyabu
,
K.
Matsushige
, and
H.
Yamada
,
J. Chem. Phys.
140
,
054704
(
2014
).
19.
K.
Kobayashi
,
N.
Oyabu
,
K.
Kimura
,
S.
Ido
,
K.
Suzuki
,
T.
Imai
,
K.
Tagami
,
M.
Tsukada
, and
H.
Yamada
,
J. Chem. Phys.
138
,
184704
(
2013
).
20.
K.
Kobayashi
,
H.
Yamada
,
H.
Itoh
,
T.
Horiuchi
, and
K.
Matsushige
,
Rev. Sci. Instrum.
72
,
4383
(
2001
).
21.
N.
Kobayashi
,
H.
Asakawa
, and
T.
Fukuma
,
Rev. Sci. Instrum.
81
,
123705
(
2010
).
22.
A. L.
Domanski
,
E.
Sengupta
,
K.
Bley
,
M. B.
Untch
,
S. A. L.
Weber
,
K.
Landfester
,
C. K.
Weiss
,
H.-J.
Butt
, and
R.
Berger
,
Langmuir
28
,
13892
(
2012
).
23.
K.
Umeda
,
K.
Kobayashi
,
N.
Oyabu
,
Y.
Hirata
,
K.
Matsushige
, and
H.
Yamada
,
J. Appl. Phys.
116
,
134307
(
2014
).
24.
L.
Collins
,
S.
Jesse
,
J. I.
Kilpatrick
,
A.
Tselev
,
O.
Varenyk
,
M. B.
Okatan
,
S. A. L.
Weber
,
A.
Kumar
,
N.
Balke
,
S. V.
Kalinin
, and
B. J.
Rodriguez
,
Nat. Commun.
5
,
3871
(
2014
).
25.
S.
Rode
,
R.
Stark
,
J.
Lübbe
,
L.
Tröger
,
J.
Schütte
,
K.
Umeda
,
K.
Kobayashi
,
H.
Yamada
, and
A.
Kühnle
,
Rev. Sci. Instrum.
82
,
073703
(
2011
).
26.
H.
Adam
,
S.
Rode
,
M.
Schreiber
,
K.
Kobayashi
,
H.
Yamada
, and
A.
Kühnle
,
Rev. Sci. Instrum.
85
,
023703
(
2014
).
27.

The source code for the data acquisition system, the source code for the microcontroller, and additional configuration files are available on request from the first author.

28.

Most commercial AFM controllers provide similar signals that can be used for synchronization. Thereby, our implementation can easily be modified for other controllers.

29.
J.
Lübbe
,
M.
Temmen
,
P.
Rahe
,
A.
Kühnle
, and
M.
Reichling
,
Beilstein J. Nanotechnol.
4
,
227
(
2013
).
30.
T.
Fukuma
,
B.
Reischl
,
N.
Kobayashi
,
P.
Spijker
,
F. F.
Canova
,
K.
Miyazawa
, and
A. S.
Foster
,
Phys. Rev. B
92
(
2015
).
31.
H.
Effenberger
,
K.
Mereiter
, and
J.
Zemann
,
Z. Kristallogr.
156
,
233
(
1981
).
32.
Y.
Araki
,
K.
Tsukamoto
,
R.
Takagi
,
T.
Miyashita
,
N.
Oyabu
,
K.
Kobayashi
, and
H.
Yamada
,
Cryst. Growth Des.
14
,
6254
(
2014
).
33.
T. D.
Perry IV
,
R. T.
Cygan
, and
R.
Mitchell
,
Geochim. Cosmochim. Acta
71
,
5876
(
2007
).
34.
S.
Kerisit
and
S. C.
Parker
,
Chem. Commun.
2004
,
52
.
You do not currently have access to this content.