AFM Arbeidsprinsipp

AFM-prinsippet er basert på cantilever/tip-samlingen som interagerer med prøven; denne samlingen er også ofte referert til som sonden. AFM-sonden samhandler med substratet gjennom en rasterskanningsbevegelse. OPP / ned og side til side bevegelse AV AFM spissen som den skanner langs overflaten overvåkes gjennom en laserstråle reflektert av cantilever. Denne reflekterte laserstrålen spores av en posisjonssensitiv fotodetektor (PSPD) som fanger opp sondens vertikale og laterale bevegelse. Avbøyningsfølsomheten til disse detektorer må kalibreres når det gjelder hvor mange nanometer bevegelse som tilsvarer en spenningsenhet målt på detektoren.

for Å oppnå AFM-modusene kjent som tappemoduser, er sonden montert i en holder med en shaker piezo. Shaker piezo gir muligheten til å svinge sonden ved et bredt spekter av frekvenser (vanligvis 100 Hz til 2 MHz). Bankemoduser kan deles inn i resonansmoduser (hvor operasjonen er ved eller nær resonansfrekvensen til cantileveren) og off-resonansmoduser (hvor operasjonen er ved en frekvens vanligvis langt under cantileverens resonansfrekvens).

prinsippet om HVORDAN AFM fungerer er avbildet i følgende skjematisk:

Cantilever / AFM tip assembly

denne samlingen består av en meget skarp spiss (typisk krumningsradius på slutten for kommersielle tips er 5-10 nm) som henger av bunnen av en lang og smal cantilever. Som nevnt tidligere er cantilever/tip-enheten også referert TIL SOM AFM-sonden. LENGDEN / høyden PÅ AFM cantilever-spissen varierer avhengig av typen cantilever.

DE to vanligste geometriene for afm cantilevers er rektangulære («dykkebrett») og trekantede. Et eksempel på stupebrettet konfigurasjon av spakene er vist i sem bildet nedenfor; merk spissen henger av enden.

AFM cantilever materiale består vanligvis av enten silisium eller silisiumnitrid, hvor silisiumnitrid er reservert for mykere cantilevers med lavere fjærkonstanter. Dimensjonene til cantilever er svært viktige da de dikterer vårens konstant eller stivhet. Denne stivheten er grunnleggende for å styre samspillet MELLOM AFM cantilever-spissen og prøveflaten, og kan føre til dårlig bildekvalitet hvis den ikke velges nøye. Forholdet mellom cantilever dimensjoner og våren konstant, k, er definert av ligningen:

k = Ewt 3 / 4L3,

hvor w = cantilever bredde; t = cantilever tykkelse; L = cantilever lengde Og E = Youngs modul av cantilever materiale. Nominelle fjærkonstante verdier leveres vanligvis av leverandøren når man kjøper sondene, men det kan være betydelig variasjon i de faktiske verdiene.

Nanosurf gir en enkel måte å kalibrere vårkonstanter av sonder, som er beskrevet i avsnittet nedenfor.

Avbøyningsfølsomhetskalibrering

detektorens følsomhet er kalibrert for å konvertere volt målt på fotodetektoren til nanometer av bevegelse. Kalibreringen utføres ved å måle en kraftkurve på en «uendelig stiv» overflate som safir. Den» uendelig stive » overflaten er valgt i forhold til cantilever slik at cantilever ikke rykker inn prøven under kraftkurven måling. Når kraftkurven til fotodetektorsignal vs piezo-bevegelse er samlet, beregnes hellingen av den repulsive delen av veggen. Dette er avbøyningsfølsomheten.

Merk at På Nanosurf Flex-ANA-instrumentet og cantilever kalibreringsalternativer for andre produktlinjer er denne detektorfølsomhetskalibreringen automatisert, der flere kurver samles inn og gjennomsnittlig detektorfølsomhetsverdi beregnes.

Vår konstant kalibrering

Kalibrering av fjærkonstanten av rektangulære cantilevers gjøres via Sader-metoden På Nanosurf AFMs og implementert for alle nåværende produktlinjer. Denne metoden er avhengig av å legge inn lengden og bredden på cantilever (levert av leverandøren og lese fra en cantilever liste i programvaren). Vanligvis registreres et termisk støyspektrum av cantilever der romtemperaturens termiske bevegelse brukes til å drive cantilever. Et eksempel termisk tuning spektrum er vist nedenfor. En enkelt harmonisk oscillatormodell brukes til å passe toppen i termisk spektrum for å trekke ut resonansfrekvensen og kvalitetsfaktoren. Alle disse parametrene blir deretter lagt inn I Sadermodellen for hydrodynamisk demping av cantilever i et gitt miljø, som deretter beregner fjærkonstanten.
Alternativt kan en frekvens feie brukes til å kalibrere fjærkonstanten. Her brukes shaker piezo til å kjøre cantilever.

for fjærkonstant kalibrering er det viktig at cantilever trekkes tilbake fra overflaten når disse frekvensene feier (enten ved termisk metode eller piezo) oppstår. En heis på minst 100 µ fra overflaten anbefales.

Tilbakemelding

det endelige prinsippet som er viktig for å forstå AFM-operasjon er tilbakemeldingen. Tilbakemelding og tilbakemeldingsparametere er allestedsnærværende i vårt liv. For eksempel er temperatur tilbakemeldingsparameteren i en termostat. En termostat er satt til ønsket temperatur (settpunkt). Når temperaturen i miljøet endres, sammenlignes den med temperaturinnstillingspunktet slik at varmeren (eller klimaanlegget) vet når den skal slås på og av for å holde temperaturen til ønsket verdi.

På samme måte i atomkraftmikroskop, avhengig av de forskjellige modusene, er det en parameter som fungerer som settpunktet. For eksempel, i statisk modus (kontaktmodus) er tilbakemeldingsparameteren cantilever-avbøyning, mens i den vanligste formen for tappemodus er cantilever-oscillasjonsamplituden tilbakemeldingsparameteren. Instrumentet prøver å holde denne tilbakemeldingsparameteren konstant ved sin settpunktverdi ved å justere z-piezo for å flytte cantilever-sonden opp og ned. De resulterende z-piezo-bevegelsene gir høydeinformasjonen for å skape overflatetopografi.

Kontroll av feedback loop er gjort gjennom andel-integral-derivat kontroll, ofte referert til SOM PID gevinster. Disse forskjellige gevinstene refererer til forskjeller i hvordan tilbakemeldingssløyfen justerer seg til avvik fra settpunktverdien, feilsignalet. FOR AFM-drift er integralforsterkningen viktigst og kan ha en mest dramatisk effekt på bildekvaliteten. Den proporsjonale gevinsten kan gi liten forbedring etter optimalisering av integrert gevinst. Derivatgevinsten er hovedsakelig for prøver med høye kanter. Hvis gevinster er satt for lavt, VIL PID-sløyfen ikke kunne holde settpunktet nøyaktig. Hvis gevinsten er valgt for høyt, blir resultatet elektrisk støy i bildet fra forstyrrelser fra tilbakemeldingen. Kompensasjonen for avvik fra settpunktet er større enn selve feilen, eller støyen forsterkes for sterkt.

de andre parameterne som er viktige i tilbakemeldingen, er skannehastigheten og settpunktet. Hvis skannehastigheten er for rask, VIL PID-sløyfen ikke ha tilstrekkelig tid til å justere tilbakemeldingsparameteren til sin settpunktverdi, og høyden beregnet fra z piezo-bevegelsen vil avvike fra den sanne topografien i bakker og nærkanter. Svært sakte skannehastigheter er vanligvis ikke et problem FOR PID-sløyfen, men resulterer i lange oppkjøpstider som kan utgjøre sine egne utfordringer som termisk drift. Optimalisering AV pid gevinster og skannehastigheten er nødvendig for å optimalisere feedback loops. Settpunktet påvirker interaksjonskraften eller impulsene mellom sonden og prøven. Et settpunkt nær parameterverdien ut av kontakttilbakemelding er mest skånsomt for prøven, men har en tendens til å forsinke tilbakemeldingen.

Se nedenfor for et bilde som ble samlet inn med ulike pid-forsterkningsinnstillinger med samme skannehastighet. I det røde området er bildet all elektrisk støy, fordi gevinsten er satt for høy. Området innrammet i oransje har også noen striper av elektrisk støy som illustrerer det samme problemet. På bunnen, i den blå delen, er det dårlig sporing på grunn av gevinster som er for lave. En valgt for høy skannefrekvens ville ha et lignende utseende. De optimale bilde – og parameterinnstillingene er i det grønne området.

Skanning

Elektromagnetiske skannere gir svært nøyaktig og presis nanoskala bevegelse I X, Y og Z ved lav driftsspenning I Nanosurf AFMs. Disse typer skannere gir betydelige fordeler med svært lineær bevegelse og fravær av kryp over andre typer skannere som piezoelektriske skannere. Den Nanosurf FlexAFM-baserte systemer kombinerer en piezoelektrisk skanner For Z motion med en flexure-basert elektromagnetisk skanner I X Og Y; denne konfigurasjonen gir rask bevegelse I Z med maksimal flathet I X Og Y, som er optimal for de avanserte funksjonene som tilbys av disse systemene.

Atomic force mikroskop kan konfigureres enten å skanne spissen over prøven (i så fall prøven er stasjonær) eller skanne prøven under spissen (i så fall sonden er stasjonær). Alle Nanosurf mikroskop ansette spissen skanning konfigurasjon. Denne konfigurasjonen gir en betydelig fordel når det gjelder fleksibilitet og størrelse på prøven. Tips skanning instrumenter kan romme store og uortodokse prøvestørrelser; den eneste begrensningen på prøven er at den trenger å passe inn i instrumentet! Fordi spissen flyttes og prøven forblir stasjonær, kan prøven være nesten hvilken som helst størrelse eller vekt og kan fortsatt skannes AV AFM. Et eksempel på prøvefleksibilitet er vist nedenfor Med NaniteAFM-systemet og et spesialbygd oversettelses – /rotasjonstrinn for å utføre ujevnhetsmålinger på store konkave og konvekse prøver.