AFM動作原理

AFM原理は、サンプルと相互作用するカンチレバー/チップアセンブリに基づいています。 AFMの調査はラスタスキャンの動きによって基質と相互に作用している。 表面に沿ってスキャンするようにAFMの先端の上下そして側面の動きは片持梁を離れて反映されるレーザ光線を通して監視される。 この反射されたレーザ光線は調査の縦および側面動きを取る位置の敏感な光探知器(PSPD)によって追跡される。 これらの検出器の偏向感度は、検出器で測定された電圧の単位に対応する運動の数ナノメートルの点で較正されなければならない。

タッピングモードとして知られているAFMモードを達成するためには、調査はシェーカーのpiezoが付いているホールダーに取付けられます。 シェーカーのpiezoは頻度（普通100つのHzから2つのMHz）の広い範囲で調査を振動させる機能を提供する。 タッピング動作モードは、共振モード（動作がカンチレバーの共振周波数またはその近くにある場合）とオフ共振モード（動作が通常カンチレバーの共振周波数をはるかに下回る周波数にある場合）に分けることができる。

AFMがどのように機能するかの原則は、次の回路図に示されています:

カンチレバー/AFMチップアセンブリ

このアセンブリは、長くて狭いカンチレバーの底からハングアップする非常 前述したように、カンチレバー/チップアセンブリは、AFMプローブとも呼ばれます。 AFMの片持梁先端の長さ/高さは片持梁のタイプによって変わる。

AFMカンチレバーのための二つの最も一般的なジオメトリは、長方形（”ダイビングボード”）と三角形です。 レバーの潜水板構成の例は下のSEMのイメージで示されている;端を離れて掛かる先端に注意しなさい。

AFMカンチレバー材料は、通常、シリコンまたは窒化シリコンのいずれかで構成されています。 片持梁の次元はばね定数か剛さを定めるので非常に重要である。 この剛性は、AFMカンチレバーチップとサンプル表面との間の相互作用を制御するための基本的なものであり、慎重に選択しないと画質が低下する可能性 カンチレバーの寸法とばね定数kとの関係は、次の式で定義されます。

k=Ewt3/4L3、

ここで、w=カンチレバー幅、t=カンチレバー厚さ、L=カンチレバー長さ、E=カンチレバー材のヤング率。 公称ばね定数値は、通常、プローブを購入するときにベンダーによって提供されますが、実際の値には大きな変動がある可能性があります。

Nanosurfは、以下のセクションで説明されているプローブのスプリング定数を簡単に校正する方法を提供します。

偏向感度校正

検出器の感度は、光検出器で測定されたボルトをナノメートルの運動に変換するように校正されます。 キャリブレーションは、サファイアのような”無限に硬い”表面の力曲線を測定することによって実行されます。 「無限に硬い」表面は、カンチレバーが力曲線測定中に試料をインデントしないように、カンチレバーに対して選択される。 光検出器信号対ピエゾ運動の力曲線が収集されると、壁の反発部分の傾きが計算されます。 これが偏向感度です。

Nanosurfの屈曲ANAの器械および他の製品種目の片持梁口径測定の選択でこの探知器の感受性の口径測定が自動化され、多数のカーブが集められ、平均探知器の感受性の価値が計算されるところであることに注意しなさい。

ばね定数校正

矩形カンチレバーのばね定数の校正は、Nanosurf AFMsのSader法を介して行われ、現在のすべての製品ラインに対して実装されています。 この方法は、カンチレバーの長さと幅を入力することに依存します（ベンダーによって提供され、ソフトウェアのカンチレバーリストから読み取られます）。 一般に、カンチレバーの熱ノイズスペクトルは、室温の熱運動がカンチレバーを駆動するために使用される場所で記録される。 熱同調スペクトルのサンプルを以下に示します。 単一の高調波発振器モデルを使用して、共振周波数と品質係数を抽出するために、熱スペクトルのピークを適合させます。 これらのパラメータはすべて、与えられた環境におけるカンチレバーの流体力学的減衰のためにSaderモデルに入力され、ばね定数が計算されます。
あるいは、周波数掃引を使用してばね定数を校正することもできます。 ここでは、シェーカーピエゾは、カンチレバーを駆動するために使用されます。

ばね定数キャリブレーションでは、これらの周波数スイープ（熱法またはピエゾ）が発生したときにカンチレバーが表面から後退することが重要です。 表面を離れた少なくとも100µ mの上昇は推薦される。

フィードバック

AFM動作を理解するために重要な最終的な原則は、フィードバックのことです。 フィードバックとフィードバックパラメータは、私たちの生活の中で遍在しています。 たとえば、温度はサーモスタットのフィードバックパラメータです。 サーモスタットは、所望の温度（設定点）に設定されています。 環境内の温度が変化すると、温度設定値と比較され、ヒーター（またはエアコン）が温度を所望の値に保つためにいつオン/オフするかを知るようになります。

同様に、原子間力顕微鏡では、異なるモードに応じて、設定点として機能するパラメータがあります。 例えば、静的モード（接触モード）では、フィードバックパラメータは片持梁偏向であり、最も一般的なタッピングモードでは、片持梁振動振幅はフィードバックパラメータである。 計測器は、zピエゾを調整してカンチレバープローブを上下に動かすことにより、このフィードバックパラメータを設定値で一定に維持しようとしています。 結果として得られるzピエゾ運動は、サーフェストポグラフィを作成するための高さ情報を提供します。

フィードバックループの制御は、多くの場合、PIDゲインと呼ばれる比例積分微分制御によって行われます。 これらの異なるゲインは、設定値である誤差信号からの偏差に合わせてフィードバックループがどのように調整されるかの違いを指します。 AFM動作では、積分ゲインが最も重要であり、画質に最も劇的な影響を与える可能性があります。 比例ゲインは、積分ゲインの最適化後にわずかな改善を提供する可能性があります。 微分ゲインは、主に背の高いエッジを持つサンプル用です。 ゲインが低すぎると、PIDループは設定値を正確に保つことができません。 ゲインが高すぎると、フィードバックからの干渉による画像内の電気的ノイズが発生します。 設定点からの偏差に対する補償は、誤差自体よりも大きいか、ノイズがあまりにも強く増幅されます。

フィードバックで重要な他のパラメータは、スキャンレートとセットポイントです。 スキャンレートが速すぎると、PIDループにはフィードバックパラメータを設定値に調整するのに十分な時間がなく、zピエゾ運動から計算された高さは、斜面やエッジの近くで真のトポグラフィーから逸脱します。 通常、非常に遅いスキャンレートはPIDループの問題ではありませんが、熱ドリフトなどの独自の課題を引き起こす可能性のある長い集録時間をもたらし フィードバックループを最適化するには、PIDゲインとスキャンレートの最適化が必要です。 設定点は、プローブとサンプル間の相互作用力またはインパルスに影響します。 接触していないフィードバックのパラメータ値に近い設定点は、サンプルにとって最も穏やかですが、フィードバックが遅くなる傾向があります。

同じスキャンレートでさまざまなPIDゲイン設定で収集された画像については、以下を参照してください。 ゲインが高すぎる設定されているため、赤い領域では、画像はすべて電気的ノイズです。 オレンジ色で囲まれた領域には、同じ問題を示す電気ノイズのいくつかの縞があります。 底部では、青色のセクションでは、利益が低すぎるために追跡が不十分です。 選択したスキャン速度が高すぎると、同様の外観になります。 最適な画像とパラメータの設定は緑色の領域にあります。

スキャン

電磁スキャナは、ナノサーフAfmの低動作電圧でX、Y、Z これらの種類の走査器は圧電気の走査器のような他の種類の走査器上の非常に直線運動そしてクリープの不在の重要な利点を提供します。 Nanosurf FlexAFMベースのシステムはXおよびYのflexureベースの電磁石の走査器とZの動きのための圧電気の走査器を結合する;この構成はこれらのシステムによって提

原子間力顕微鏡は、試料上の先端を走査する（試料が静止している場合）か、または先端の下の試料を走査する（プローブが静止している場合）ように構成 すべてのNanosurfの顕微鏡は先端のスキャン構成を用いる。 この構成はサンプルの柔軟性そしてサイズの点では重要な利点を提供する。 先端のスキャンの器械は大きく、非正統的なサンプルサイズを収容できる;サンプルの唯一の限定は器械に合う必要があることである! 先端が動かされ、サンプルが静止している残るので、サンプルはほとんどサイズか重量である場合もあり、まだAFMによってスキャンすることができる。 サンプル柔軟性の例は大きい凹面および凸のサンプルの荒さの測定を行うNaniteAFMシステムおよび特注の平行移動/回転段階と次示されている。p>