AFM Pracovní Princip

AFM princip je založen na konzolové/tip sestavu, která interaguje se vzorkem; tato sestava je také obyčejně odkazoval se na jako sonda. AFM sonda interaguje se substrátem rastrovým skenovacím pohybem. Nahoru/dolů a ze strany na stranu pohybu AFM tip, jak to skenuje podél povrchu je sledována prostřednictvím laserový paprsek odráží od konzolové. Tento odražený laserový paprsek je sledován fotodetektorem citlivým na polohu (PSPD), který zachycuje vertikální a boční pohyb sondy. Citlivost těchto detektorů musí být kalibrována podle toho, kolik nanometrů pohybu odpovídá jednotce napětí měřené na detektoru.

aby se dosáhlo režimů AFM známých jako režimy klepání, je sonda namontována do držáku s třepačkou piezo. Třepačka piezo poskytuje schopnost oscilovat sondu v širokém rozsahu frekvencí (typicky 100 Hz až 2 MHz). Klepnutím režimy provozu lze rozdělit do rezonanční módy (kde provoz je na nebo v blízkosti rezonanční frekvence cantilever) a off-rezonanční módy (je-li provoz na frekvenci, obvykle hluboko pod konzolové rezonanční frekvenci).

princip fungování AFM je znázorněn na následujícím schématu:

Konzolové/AFM hrotu sestavy

Tato sestava se skládá z velmi ostrý tip (typický poloměr křivosti na konci pro komerční tipy je 5-10 nm), které visí ze spodní části dlouhé a úzké cantilever. Jak již bylo zmíněno, sestava konzoly/špičky je také označována jako sonda AFM. Délka / výška konzoly AFM se liší v závislosti na typu konzoly.

dvě nejběžnější geometrie pro konzoly AFM jsou obdélníkové („diving-board“) a trojúhelníkové. Příklad konfigurace páček potápěčské desky je uveden na obrázku SEM níže; všimněte si špičky visící z konce.

AFM cantilever materiál se obvykle skládá buď z křemíku nebo nitridu křemíku, kde z nitridu křemíku je vyhrazena pro měkčí konzolami s nižší jarní konstanty. Rozměry konzoly jsou velmi důležité, protože diktují její pružinovou konstantu nebo tuhost. Tato tuhost je zásadní pro řízení interakce mezi špičkou konzoly AFM a povrchem vzorku a může mít za následek špatnou kvalitu obrazu, pokud není pečlivě vybrána. Vztah mezi konzolové rozměry a tuhost pružiny,, k, je definována podle rovnice:

k = Ewt 3 / 4L3,

, kde w = konzolové šířka; t = konzolové tloušťky; L = cantilever délka a E = youngův modul pružnosti cantilever materiál. Jmenovité konstantní hodnoty pružiny jsou obvykle poskytovány prodejcem při nákupu sond, ale mohou existovat významné rozdíly ve skutečných hodnotách.

Nanosurf poskytuje přímý způsob kalibrace pružinových konstant sond, který je popsán v části níže.

kalibrace citlivosti průhybu

citlivost detektoru je kalibrována pro převod voltů měřených na fotodetektoru na nanometry pohybu. Kalibrace se provádí měřením křivky síly na“ nekonečně tuhém “ povrchu, jako je safír. „Nekonečně tuhý“ povrch se volí vzhledem ke konzoli tak, že konzola během měření silové křivky neodtrhne vzorek. Jakmile se shromáždí silová křivka signálu fotodetektoru vs. piezo pohyb, vypočítá se sklon odpudivé části stěny. Toto je citlivost na vychýlení.

Všimněte si, že na Nanosurf Flex-ANU nástroje a konzolové možnosti kalibrace dalších produktových řad tohoto detektoru citlivost kalibrace je automatizován, kde více křivek jsou shromažďovány a průměrná citlivost detektoru hodnota je vypočtena.

Jarní konstanta kalibrace

Kalibrace pružiny konstantního obdélníkového konzolami se provádí pomocí Sader metoda na Nanosurf AFMs a realizován pro všechny stávající produktové řady. Tato metoda se opírá o zadání délky a šířky konzolové (poskytována prodávajícím a číst z konzolového seznam v softwaru). Obecně se zaznamenává spektrum tepelného šumu konzoly, kde se k pohonu konzoly používá tepelný pohyb při pokojové teplotě. Ukázkové spektrum tepelného ladění je uvedeno níže. Jediný harmonický oscilátor model se používá, aby se vešly vrchol v tepelném spektru s cílem získat rezonanční frekvenci a faktor kvality. Všechny tyto parametry jsou pak vstup do Sader model pro hydrodynamické tlumení cantilever v daném prostředí, které se pak počítá na jaro konstantní.
alternativně lze ke kalibraci pružinové konstanty použít frekvenční zametání. Zde se třepačka piezo používá k pohonu konzoly.

pro kalibraci pružinové konstanty je důležité, aby konzola byla zatažena z povrchu, když dojde k těmto frekvenčním zametání (buď tepelnou metodou nebo piezo). Doporučuje se zvednout alespoň 100 µm z povrchu.

Zpětná vazba

poslední princip, který je důležitý pro pochopení AFM provozu je zpětná vazba. Parametry zpětné vazby a zpětné vazby jsou v našem životě všudypřítomné. Například teplota je parametr zpětné vazby v termostatu. Termostat je nastaven na požadovanou teplotu (žádaná hodnota). Jak se teplota v prostředí mění, porovnává se s nastavenou teplotou, takže ohřívač (nebo klimatizace) ví, kdy se má zapnout a vypnout, aby se teplota udržovala na požadované hodnotě.

podobně v mikroskopech atomové síly existuje v závislosti na různých režimech parametr, který slouží jako žádaná hodnota. Například ve statickém režimu (kontaktní režim) zpětná vazba je parametr konzolové deformace, zatímco v nejběžnější formě klepnutím režim, konzolové amplituda kmitání je zpětná vazba parametr. Přístroj se snaží udržet tento parametr zpětné vazby konstantní na požadované hodnotě nastavením z-piezo tak, aby pohyboval konzolovou sondou nahoru a dolů. Výsledné pohyby z-piezo poskytují informace o výšce pro vytvoření povrchové topografie.

řízení zpětnovazební smyčky se provádí pomocí proporcionálně-integrální-derivační kontroly, často označované jako zisky PID. Tyto různé zisky se týkají rozdílů v tom, jak se zpětnovazební smyčka přizpůsobuje odchylkám od požadované hodnoty, chybového signálu. Pro provoz AFM je integrální zisk nejdůležitější a může mít nejdramatičtější vliv na kvalitu obrazu. Proporcionální zisk může poskytnout mírné zlepšení po optimalizaci integrálního zisku. Derivační zisk je hlavně pro vzorky s vysokými hranami. Pokud jsou zisky nastaveny příliš nízko, smyčka PID nebude schopna přesně udržet požadovanou hodnotu. Pokud jsou zisky zvoleny příliš vysoko, výsledkem bude elektrický šum v obraze z rušení ze zpětné vazby. Kompenzace odchylky od požadované hodnoty je větší než samotná chyba nebo hluk je zesílen příliš silně.

další parametry, které jsou důležité ve zpětné vazbě, jsou rychlost skenování a žádaná hodnota. Pokud je rychlost skenování příliš rychlá, smyčka PID nebude mít dostatek času na nastavení parametru zpětné vazby na požadovanou hodnotu a výška vypočtená z piezo pohybu z se bude odchylovat od skutečné topografie na svazích a v blízkosti okrajů. Velmi pomalé rychlosti skenování obvykle nejsou problémem pro smyčku PID, ale vedou k dlouhým dobám získávání, které mohou představovat jejich vlastní výzvy, jako je tepelný drift. Optimalizace zisku PID a rychlosti skenování jsou nezbytné pro optimalizaci zpětnovazebních smyček. Žádaná hodnota ovlivňuje interakční sílu nebo impulsy mezi sondou a vzorkem. Žádaná hodnota blízká hodnotě parametru mimo kontaktní zpětnou vazbu je pro vzorek nejšetrnější, ale má tendenci zpomalovat zpětnou vazbu.

viz níže obrázek, který byl shromážděn s různými nastaveními zisku PID při stejné rychlosti skenování. V červené oblasti je obraz veškerý elektrický šum, protože zisky jsou nastaveny příliš vysoko. Oblast orámovaná oranžově má také několik pruhů elektrického šumu, které ilustrují stejný problém. Na dně, v modré části, je špatné sledování kvůli příliš nízkým ziskům. Zvolená příliš vysoká rychlost skenování by měla podobný vzhled. Optimální nastavení obrazu a parametrů je v zelené oblasti.

Skenování

Elektromagnetické detektory poskytují vysoce přesné a precizní nano pohybu v X, Y a Z na nízké provozní napětí v Nanosurf AFMs. Tyto druhy skenerů poskytují významné výhody vysoce lineárního pohybu a absence tečení oproti jiným druhům skenerů, jako jsou piezoelektrické skenery. Na Nanosurf FlexAFM-založené systémy kombinovat piezoelektrický skener pro Z pohybu s ohybu na bázi elektromagnetického skeneru v X a Y; tato konfigurace nabízí rychlý pohyb v ose Z, s maximální rovinnost v X a Y, která je optimální pro pokročilé možností nabízených těmito systémy.

mikroskopy atomové síly mohou být konfigurovány buď pro skenování hrotu nad vzorkem (v tomto případě je vzorek stacionární), nebo pro skenování vzorku pod špičkou(v tomto případě je sonda stacionární). Všechny mikroskopy Nanosurf používají konfiguraci skenování hrotu. Tato konfigurace poskytuje významnou výhodu z hlediska flexibility a velikosti vzorku. Tip skenovací nástroje mohou pojmout velké a neortodoxní velikosti vzorku; jediným omezením vzorku je, že se musí vejít do přístroje! Protože se špička pohybuje a vzorek zůstává nehybný, vzorek může mít téměř jakoukoli velikost nebo hmotnost a může být stále skenován AFM. Příklad vzorku flexibilita je uvedeno níže s NaniteAFM systém a vlastní-postavený překlad/otáčení fáze provádět drsnosti měření na velké konkávní a konvexní vzorků.