AFM Arbeits Prinzip

Die AFM prinzip basiert auf die cantilever/spitze montage, dass interagiert mit der probe; diese montage ist auch allgemein als die sonde. Die Flughandbuch-Sonde tritt mit dem Substrat durch eine Rasterabtastbewegung in Wechselwirkung. Die Auf-/Ab- und Seitenbewegung der Flughandbuchspitze, während sie entlang der Oberfläche scannt, wird durch einen Laserstrahl überwacht, der weg vom Kragbalken reflektiert wird. Dieser reflektierte Laserstrahl wird von einem positionsempfindlichen Fotodetektor (PSPD) verfolgt, der die vertikale und laterale Bewegung der Sonde aufnimmt. Die Ablenkungsempfindlichkeit dieser Detektoren muss dahingehend kalibriert werden, wie viele Nanometer Bewegung einer auf dem Detektor gemessenen Spannungseinheit entsprechen.

Um die Flughandbuchmodi zu erzielen, die als klopfende Modi bekannt sind, wird die Sonde in einen Halter mit einem Schüttel-Piezo angebracht. Der Shaker Piezo bietet die Möglichkeit, die Sonde in einem weiten Frequenzbereich (typischerweise 100 Hz bis 2 MHz) zu schwingen. Die Betriebsmodi können in Resonanzmodi (bei denen der Betrieb bei oder nahe der Resonanzfrequenz des Auslegers erfolgt) und Off-Resonanzmodi (bei denen der Betrieb bei einer Frequenz erfolgt, die normalerweise weit unter der Resonanzfrequenz des Auslegers liegt) unterteilt werden.

Das Prinzip, wie AFM funktioniert, ist im folgenden Schema dargestellt:

Cantilever / AFM-Spitzenanordnung

Diese Baugruppe besteht aus einer sehr scharfen Spitze (typischer Krümmungsradius am Ende für kommerzielle Spitzen beträgt 5-10 nm), die an der Unterseite eines langen und schmalen Auslegers hängt. Wie bereits erwähnt, wird die Cantilever / Tip-Baugruppe auch als AFM-Sonde bezeichnet. Die Länge/Höhe der Flughandbuch-freitragenden Spitze schwankt abhängig von der Art des freitragenden.Die zwei allgemeinsten Geometrien für Flughandbuch-Kragbalken sind rechteckig („Sprungbrett“) und dreieckig. Ein Beispiel für die Konfiguration des Sprungbretts der Hebel ist im SEM-Bild unten gezeigt; Beachten Sie die Spitze, die am Ende hängt.

AFM Cantilever Material besteht typischerweise entweder aus Silizium oder Siliziumnitrid, wobei Siliziumnitrid für weichere Cantilever mit niedrigeren Federkonstanten reserviert ist. Die Abmessungen des Auslegers sind sehr wichtig, da sie seine Federkonstante oder Steifigkeit bestimmen. Diese Steifheit ist zur Regelung der Interaktion zwischen der Flughandbuch-freitragenden Spitze und der Beispieloberfläche grundlegend und kann schlechte Bildqualität ergeben, wenn sie nicht sorgfältig gewählt wird. Die Beziehung zwischen den Abmessungen des Auslegers und der Federkonstante k wird durch die Gleichung definiert:

k = Ewt 3 / 4L3,

wobei w = Auslegerbreite; t = Auslegerdicke; L = Auslegerlänge und E = Elastizitätsmodul des Auslegermaterials. Nominale Federkonstanten werden normalerweise vom Hersteller beim Kauf der Sonden angegeben, Es kann jedoch zu erheblichen Abweichungen der tatsächlichen Werte kommen.Nanosurf stellt eine einfache Art der Kalibrierung der Federkonstanten von Sonden zur Verfügung, die im folgenden Abschnitt beschrieben wird.

Kalibrierung der Ablenkungsempfindlichkeit

Die Empfindlichkeit des Detektors wird kalibriert, um die auf dem Photodetektor gemessenen Volt in Nanometer Bewegung umzuwandeln. Die Kalibrierung erfolgt durch Messung eines Kraftverlaufs auf einer „unendlich steifen“ Oberfläche wie Saphir. Die „unendlich steife“ Oberfläche ist relativ zum Kragbalken so gewählt, dass der Kragbalken die Probe während der Kraftkurvenmessung nicht eindrückt. Sobald die Kraftkurve des Photodetektorsignals gegenüber der Piezo-Bewegung erfasst ist, wird die Steigung des abstoßenden Teils der Wand berechnet. Dies ist die Ablenkungsempfindlichkeit.

Hinweis, dass auf die Nanosurf Flex-ANA instrument und cantilever kalibrierung optionen von andere produkt linien diese detektor empfindlichkeit kalibrierung ist automatisierte, wo mehrere kurven sind gesammelt und die durchschnitt detektor empfindlichkeit wert ist berechnet.

Federkonstantenkalibrierung

Die Kalibrierung der Federkonstante rechteckiger Cantilever erfolgt über die Sader-Methode auf Nanosurf AFMs und ist für alle aktuellen Produktlinien implementiert. Diese Methode beruht auf der Eingabe der Länge und Breite des Auslegers (vom Hersteller bereitgestellt und aus einer Auslegerliste in der Software gelesen). Im Allgemeinen wird ein thermisches Geräuschspektrum des Auslegers aufgezeichnet, wobei die thermische Bewegung bei Raumtemperatur verwendet wird, um den Ausleger anzutreiben. Ein Beispiel für ein thermisches Abstimmspektrum ist unten gezeigt. Ein einzelnes harmonisches Oszillatormodell wird verwendet, um den Peak im thermischen Spektrum anzupassen, um die Resonanzfrequenz und den Qualitätsfaktor zu extrahieren. Alle diese Parameter werden dann in das Sader-Modell für die hydrodynamische Dämpfung des Cantilevers in einer bestimmten Umgebung eingegeben, das dann die Federkonstante berechnet.
Alternativ kann ein Frequenz-Sweep verwendet werden, um die Federkonstante zu kalibrieren. Hier wird der Shaker Piezo zum Antrieb des Cantilevers verwendet.

Für die federkonstante Kalibrierung ist es wichtig, dass der Cantilever von der Oberfläche zurückgezogen wird, wenn diese Frequenzdurchläufe (entweder durch thermisches Verfahren oder Piezo) auftreten. Ein Abheben von mindestens 100 µm von der Oberfläche wird empfohlen.

Feedback

Das letzte Prinzip, das für das Verständnis des AFM-Betriebs wichtig ist, ist das Feedback. Feedback und Feedback-Parameter sind in unserem Leben allgegenwärtig. Beispielsweise ist die Temperatur der Rückkopplungsparameter in einem Thermostat. Ein Thermostat wird auf die gewünschte Temperatur (Sollwert) eingestellt. Wenn sich die Temperatur in der Umgebung ändert, wird sie mit dem Temperatursollwert verglichen, sodass die Heizung (oder Klimaanlage) weiß, wann sie ein- und ausgeschaltet werden muss, um die Temperatur auf dem gewünschten Wert zu halten.

In ähnlicher Weise gibt es in Rasterkraftmikroskopen abhängig von den verschiedenen Modi einen Parameter, der als Sollwert dient. Beispielsweise ist im statischen Modus (Kontaktmodus) der Rückkopplungsparameter die Auslenkung des Auslegers, während in der gebräuchlichsten Form des Abgreifmodus die Auslegerschwingungsamplitude der Rückkopplungsparameter ist. Das Gerät versucht, diesen Rückkopplungsparameter konstant auf seinem Sollwert zu halten, indem der Z-Piezo so eingestellt wird, dass die freitragende Sonde auf und ab bewegt wird. Die resultierenden Z-Piezo-Bewegungen liefern die Höheninformation, um die Oberflächentopographie zu erzeugen.

Die Steuerung der Rückkopplungsschleife erfolgt über die Proportional-Integral-derivative Steuerung, die oft als PID-Verstärkungen bezeichnet wird. Diese unterschiedlichen Verstärkungen beziehen sich auf Unterschiede in der Art und Weise, wie sich die Rückkopplungsschleife auf Abweichungen vom Sollwert, dem Fehlersignal, einstellt. Für Flughandbuchoperation ist der integrale Gewinn am wichtigsten und kann einen dramatischsten Effekt auf die Bildqualität haben. Die Proportionalverstärkung kann nach Optimierung der Integralverstärkung eine leichte Verbesserung bewirken. Die abgeleitete Verstärkung ist hauptsächlich für Samples mit hohen Kanten. Wenn die Verstärkungen zu niedrig eingestellt sind, kann die PID-Schleife den Sollwert nicht genau halten. Wenn die Verstärkungen zu hoch gewählt werden, führt dies zu einem elektrischen Rauschen im Bild aufgrund von Interferenzen durch die Rückkopplung. Die Kompensation einer Abweichung vom Sollwert ist größer als der Fehler selbst oder das Rauschen wird zu stark verstärkt.

Die anderen Parameter, die bei der Rückmeldung wichtig sind, sind die Abtastrate und der Sollwert. Wenn die Abtastrate zu schnell ist, hat die PID-Schleife nicht genügend Zeit, um den Rückkopplungsparameter auf ihren Sollwert einzustellen, und die aus der z-Piezo-Bewegung berechnete Höhe weicht an Steigungen und in der Nähe von Kanten von der wahren Topographie ab. Sehr langsame Abtastraten sind normalerweise kein Problem für die PID-Schleife, führen jedoch zu langen Erfassungszeiten, die ihre eigenen Herausforderungen wie thermische Drift mit sich bringen können. Eine Optimierung der PID-Verstärkungen und der Abtastrate ist notwendig, um Rückkopplungsschleifen zu optimieren. Der Sollwert beeinflusst die Wechselwirkungskraft oder den Impuls zwischen Sonde und Probe. Ein Sollwert nahe dem Parameterwert außerhalb der Kontaktrückkopplung ist für die Probe am schonendsten, verlangsamt jedoch tendenziell die Rückkopplung.

Siehe unten für ein Bild, das mit verschiedenen PID-Verstärkungseinstellungen bei derselben Scanrate aufgenommen wurde. Im roten Bereich ist das Bild alles elektrisches Rauschen, da die Verstärkungen zu hoch eingestellt sind. Der orange umrahmte Bereich weist auch einige Streifen elektrischen Rauschens auf, die das gleiche Problem veranschaulichen. Unten im blauen Bereich gibt es ein schlechtes Tracking, da die Gewinne zu niedrig sind. Eine gewählte zu hohe Abtastrate hätte ein ähnliches Aussehen. Die optimalen Bild- und Parametereinstellungen befinden sich im grünen Bereich.

Scannen

Elektromagnetische Scanner bieten eine hochgenaue und präzise nanoskalige Bewegung in X, Y und Z bei niedriger Betriebsspannung in Nanosurf-AFMs. Diese Arten von Scannern bieten erhebliche Vorteile einer hochgradig linearen Bewegung und der Abwesenheit von Kriechen gegenüber anderen Arten von Scannern wie piezoelektrischen Scannern. Die Nanosurf FlexAFM-basierten Systeme kombinieren einen piezoelektrischen Scanner für Z-Bewegung mit einem Biege-basierten elektromagnetischen Scanner in X und Y; Diese Konfiguration bietet eine schnelle Bewegung in Z mit maximaler Ebenheit in X und Y, was optimal für die erweiterten Funktionen dieser Systeme ist.

Rasterkraftmikroskope können so konfiguriert werden, dass sie entweder die Spitze über der Probe scannen (in diesem Fall ist die Probe stationär) oder die Probe unter der Spitze scannen (in diesem Fall ist die Sonde stationär). Alle Nanosurf mikroskope beschäftigen die spitze scannen konfiguration. Diese Konfiguration bietet einen signifikanten Vorteil in Bezug auf Flexibilität und Größe der Probe. Tip-Scanning-Instrumente können große und unorthodoxe Probengrößen aufnehmen; Die einzige Einschränkung für die Probe ist, dass sie in das Instrument passen muss! Weil die Spitze bewegt wird und die Probe stationär bleibt, kann die Probe fast jede mögliche Größe oder Gewicht sein und kann durch das Flughandbuch noch gescannt werden. Ein Beispiel für Probenflexibilität wird unten mit dem NaniteAFM-System und einer kundenspezifischen Translations- / Rotationsstufe gezeigt, um Rauheitsmessungen an großen konkaven und konvexen Proben durchzuführen.