AFM werkingsprincipe

het AFM-principe is gebaseerd op de cantilever / tip-assemblage die met het monster interageert; deze assemblage wordt ook wel de probe genoemd. De AFM-sonde interageert met het substraat via een rasterscanbeweging. De op / neer en de zij-aan-zijbeweging van de AFM-punt terwijl deze langs het oppervlak scant, wordt gecontroleerd door een laserstraal die van de cantilever wordt gereflecteerd. Deze gereflecteerde laserstraal wordt gevolgd door een positiegevoelige foto-detector (PSPD) die de verticale en zijwaartse beweging van de sonde oppikt. De afbuiggevoeligheid van deze detectoren moet worden gekalibreerd in termen van hoeveel nanometers van beweging overeenkomen met een eenheid van spanning gemeten op de detector.

om de AFM-modi te bereiken die bekend staan als tapping modi, wordt de sonde gemonteerd in een houder met een shaker piëzo. De shaker piezo biedt de mogelijkheid om de sonde te oscilleren bij een breed frequentiebereik (meestal 100 Hz tot 2 MHz). Tikken modi van de werking kan worden onderverdeeld in resonant modi (waar de werking is op of in de buurt van de resonantiefrequentie van de cantilever) en off-resonantie modi (waar de werking is op een frequentie meestal ver onder de cantilever resonantiefrequentie).

het principe van de werking van AFM wordt in het volgende schema weergegeven:

Cantilever / AFM tip assemblage

deze assemblage bestaat uit een zeer scherpe punt (typische kromtestraal aan het einde voor commerciële tips is 5-10 nm) dat aan de onderkant van een lange en smalle cantilever hangt. Zoals eerder vermeld wordt de cantilever / tip Ook wel de AFM-sonde genoemd. De lengte / hoogte van de AFM cantilever tip varieert afhankelijk van het type cantilever.

de twee meest voorkomende geometrieën voor AFM cantilevers zijn rechthoekig (“diving-board”) en driehoekig. Een voorbeeld van de duikplankconfiguratie van de hendels is te zien in de SEM afbeelding hieronder; let op de punt die aan het uiteinde hangt.

AFM cantilever materiaal bestaat meestal uit silicium of siliciumnitride, waarbij siliciumnitride is gereserveerd voor zachtere cantilevers met lagere veerconstanten. De afmetingen van de cantilever zijn erg belangrijk omdat ze de veerconstante of stijfheid dicteren. Deze stijfheid is van fundamenteel belang voor het regelen van de interactie tussen de cantilever tip van de AFM en het monsteroppervlak en kan resulteren in een slechte beeldkwaliteit als deze niet zorgvuldig wordt gekozen. De relatie tussen de afmetingen van de cantilever en de veerconstante k wordt gedefinieerd door de vergelijking:

k = Ewt 3/4l3,

waarbij w = cantileverbreedte; t = cantileverdikte; L = cantileverlengte en E = Young ‘ s modulus van het cantilevermateriaal. Nominale voorjaar constante waarden worden meestal verstrekt door de verkoper bij het kopen van de sondes, maar er kan aanzienlijke variatie in de werkelijke waarden.

Nanosurf biedt een eenvoudige manier om de veerconstanten van sondes te kalibreren, die in het onderstaande hoofdstuk wordt beschreven.

kalibratie van de Afbuiggevoeligheid

de gevoeligheid van de detector is gekalibreerd om volt, gemeten op de fotodetector, om te zetten in nanometers van beweging. De kalibratie wordt uitgevoerd door het meten van een krachtcurve op een “oneindig stijf” oppervlak zoals saffier. Het” oneindig stijve ” oppervlak wordt ten opzichte van de cantilever zodanig gekozen dat de cantilever het monster niet inspringt tijdens de meting van de krachtcurve. Zodra de krachtcurve van fotodetector signaal vs. piëzo beweging wordt verzameld, wordt de helling van het afstotende deel van de muur dan berekend. Dit is de afbuiggevoeligheid.

merk op dat op de Nanosurf Flex-ANA instrument en cantilever kalibratie opties van andere productlijnen deze detector gevoeligheid kalibratie is geautomatiseerd, waarbij meerdere curves worden verzameld en de gemiddelde detector gevoeligheid waarde wordt berekend.

kalibratie van de veerconstante

kalibratie van de veerconstante van rechthoekige cantilevers wordt uitgevoerd via de Sader-methode op Nanosurf AFMs en geïmplementeerd voor alle huidige productlijnen. Deze methode is gebaseerd op het invoeren van de lengte en breedte van de cantilever (geleverd door de leverancier en gelezen uit een cantilever lijst in de software). In het algemeen wordt een thermisch ruisspectrum van de cantilever geregistreerd waar de thermische beweging van de kamertemperatuur wordt gebruikt om de cantilever aan te drijven. Hieronder wordt een thermisch afstemmingsspectrum getoond. Een enkel harmonisch oscillatormodel wordt gebruikt om de piek in het thermische spectrum te passen om de resonantiefrequentie en de kwaliteitsfactor te extraheren. Al deze parameters worden vervolgens ingevoerd in het Sader-model voor hydrodynamische demping van de cantilever in een bepaalde omgeving, die vervolgens de veerconstante berekent.
als alternatief kan een frequentie-sweep worden gebruikt om de veerconstante te kalibreren. Hier wordt de shaker piëzo gebruikt om de cantilever aan te drijven.

voor de constante kalibratie van de lente is het belangrijk dat de cantilever van het oppervlak wordt teruggetrokken wanneer deze frequentievegers (hetzij door thermische methode of piëzo) optreden. Een lifthoogte van ten minste 100 µm van het oppervlak wordt aanbevolen.

Feedback

het uiteindelijke principe dat belangrijk is om de werking van AFM te begrijpen is dat van feedback. Feedback en feedback parameters zijn alomtegenwoordig in ons leven. Temperatuur is bijvoorbeeld de feedbackparameter in een thermostaat. Een thermostaat wordt ingesteld op de gewenste temperatuur (instelpunt). Naarmate de temperatuur in de omgeving verandert, wordt deze vergeleken met het temperatuurinstelpunt, zodat de verwarming (of airconditioner) weet wanneer hij moet in-en uitschakelen om de temperatuur op de gewenste waarde te houden.

evenzo is er in atomaire krachtmicroscopen, afhankelijk van de verschillende modi, een parameter die dient als het setpoint. In de statische modus (contactmodus) is de feedbackparameter bijvoorbeeld cantilever-afbuiging, terwijl in de meest voorkomende vorm van tikken de cantilever-oscillatieamplitude de feedbackparameter is. Het instrument probeert deze feedbackparameter constant op zijn instelwaarde te houden door de z-piezo aan te passen om de cantilever-sonde op en neer te bewegen. De resulterende z-piezo-bewegingen leveren de hoogte-informatie om de oppervlaktetopografie te creëren.

controle van de feedback loop wordt gedaan door middel van de proportie-integraal-afgeleide controle, vaak aangeduid als de PID winsten. Deze verschillende winsten verwijzen naar verschillen in hoe de terugkoppelingslus zich aanpast aan afwijkingen van de instelwaarde, het foutsignaal. Voor de werking van de AFM is de integrale versterking het belangrijkst en kan deze een zeer dramatisch effect hebben op de beeldkwaliteit. De proportionele winst kan een lichte verbetering geven na optimalisatie van de integrale winst. De afgeleide winst is vooral voor monsters met hoge randen. Als de winst te laag wordt ingesteld, zal de PID loop niet in staat zijn om het setpoint nauwkeurig te houden. Als de winsten te hoog worden gekozen zal het resultaat elektrische ruis in het beeld van interferentie van de feedback. De compensatie voor een afwijking van het setpoint is groter dan de fout zelf of ruis wordt te sterk versterkt.

de andere parameters die belangrijk zijn in feedback zijn de scansnelheid en het instelpunt. Als de scansnelheid te snel is, zal de PID-lus niet voldoende tijd hebben om de feedbackparameter aan te passen aan de instelwaarde en zal de hoogte berekend op basis van de Z piezo-beweging afwijken van de echte topografie op hellingen en nabij randen. Zeer trage scansnelheden zijn doorgaans geen probleem voor de PID-lus, maar resulteren in lange acquisitietijden die hun eigen uitdagingen kunnen vormen, zoals thermische drift. Optimalisatie van de PID winsten en de scansnelheid zijn noodzakelijk om feedback loops te optimaliseren. De setpoint beà nvloedt de interactiekracht of impuls tussen sonde en steekproef. Een setpoint dicht bij de parameter waarde uit contact feedback is het meest zacht voor het monster, maar heeft de neiging om de feedback te vertragen.

zie hieronder voor een afbeelding die werd verzameld met verschillende instellingen voor PID-versterking met dezelfde scansnelheid. In het rode gebied is het beeld alle elektrische ruis, omdat de winsten te hoog zijn ingesteld. Het gebied omlijst in Oranje heeft ook enkele strepen van elektrische ruis illustreren van hetzelfde probleem. Op de bodem, in het blauwe gedeelte, is er slechte tracking als gevolg van winsten te laag. Een geselecteerde te hoge scansnelheid zou een vergelijkbaar uiterlijk hebben. De optimale beeld-en parameterinstellingen bevinden zich in het groene gebied.

Scanning

elektromagnetische scanners zorgen voor zeer nauwkeurige en nauwkeurige beweging op nanoschaal in X, Y en Z bij lage bedrijfsspanning in Nanosurf AFM ‘ s. Dit soort scanners bieden aanzienlijke voordelen van zeer lineaire beweging en de afwezigheid van kruip over andere soorten scanners zoals piëzo-elektrische scanners. De op Nanosurf FlexAFM gebaseerde systemen combineren een piëzo-elektrische scanner voor z-beweging met een op flexure gebaseerde elektromagnetische scanner in X en Y; Deze configuratie biedt snelle beweging in Z met maximale vlakheid in X en Y, wat optimaal is voor de geavanceerde mogelijkheden die deze systemen bieden.

Atoomkrachtmicroscopen kunnen worden geconfigureerd om de punt over het monster te scannen (in welk geval het monster stilstaat) of het monster onder de punt te scannen (in welk geval de sonde stilstaat). Alle Nanosurf-microscopen gebruiken de configuratie van het tiptaftasten. Deze configuratie biedt een aanzienlijk voordeel in termen van flexibiliteit en grootte van het monster. Tip scanning instrumenten is geschikt voor grote en onorthodoxe Monster maten; de enige beperking op het monster is dat het moet passen in het instrument! Omdat de tip wordt verplaatst en het monster stilstaat, kan het monster bijna elke grootte of gewicht zijn en kan het nog steeds door de AFM worden gescand. Een voorbeeld van monsterflexibiliteit wordt hieronder getoond met het NaniteAFM-systeem en een op maat gemaakte vertaling/rotatiefase om ruwheidsmetingen uit te voeren op grote concave en convexe monsters.