zasada działania AFM

zasada AFM opiera się na zespole wspornika / końcówki, który współdziała z próbką; ten zespół jest również powszechnie określany jako sonda. Sonda AFM oddziałuje z podłożem za pomocą ruchu skanującego rastrowego. Ruch w górę/w dół i z boku na bok końcówki AFM podczas skanowania wzdłuż powierzchni jest monitorowany przez wiązkę laserową odbijaną od wspornika. Ta odbita wiązka laserowa jest śledzona przez czujnik fotoelektryczny (PSPD), który wykrywa pionowy i boczny ruch sondy. Czułość ugięcia tych detektorów musi być skalibrowana pod względem tego, ile nanometrów ruchu odpowiada jednostce napięcia mierzonej na detektorze.

aby uzyskać tryby AFM znane jako tryby gwintowania, sonda jest montowana w uchwycie z piezo wytrząsarką. Wytrząsarka piezo zapewnia możliwość oscylacji sondy w szerokim zakresie częstotliwości (Zwykle 100 Hz do 2 MHz). Tryby pracy stukania można podzielić na tryby rezonansowe (gdzie praca jest Przy lub w pobliżu częstotliwości rezonansowej wspornika) i Tryby off-rezonansowe (gdzie praca jest z częstotliwością zwykle znacznie poniżej częstotliwości rezonansowej wspornika).

zasada działania AFM przedstawiona jest na poniższym schemacie:

zespół końcówek wspornikowych/AFM

zespół ten składa się z bardzo ostrej końcówki (typowy promień krzywizny na końcu dla końcówek komercyjnych wynosi 5-10 nm), która zwisa z dna długiego i wąskiego wspornika. Jak wspomniano wcześniej, zespół wspornika / końcówki jest również określany jako sonda AFM. Długość / wysokość końcówki wspornika AFM różni się w zależności od rodzaju wspornika.

dwie najczęstsze geometrie wsporników AFM są prostokątne („diving-board”) i trójkątne. Przykład konfiguracji deski nurkowej dźwigni pokazano na poniższym obrazku SEM; zwróć uwagę na końcówkę zwisającą z końca.

materiał wspornika AFM zazwyczaj składa się z krzemu lub azotku krzemu, gdzie azotek krzemu jest zarezerwowany dla bardziej miękkich wsporników z niższymi stałymi sprężynowymi. Wymiary wspornika są bardzo ważne, ponieważ dyktują jego stałą sprężynę lub sztywność. Ta sztywność ma zasadnicze znaczenie dla regulowania interakcji między końcówką wspornika AFM a powierzchnią próbki i może skutkować słabą jakością obrazu, jeśli nie zostanie starannie dobrany. Zależność między wymiarami wspornika a stałą sprężynową, k, określa równanie:

k = Ewt 3 / 4L3,

gdzie w = Szerokość wspornika; t = grubość wspornika; L = Długość wspornika i E = moduł Younga materiału wspornika. Nominalne stałe wartości sprężyn są zazwyczaj dostarczane przez Sprzedawcę przy zakupie sond, ale mogą występować znaczne różnice w rzeczywistych wartościach.

Nanosurf zapewnia prosty sposób kalibracji stałych sprężynowych sond, który jest opisany w sekcji poniżej.

kalibracja czułości ugięcia

czułość detektora jest skalibrowana w celu konwersji woltów mierzonych na fotodetektorze na nanometry ruchu. Kalibracja jest wykonywana przez pomiar krzywej siły na „nieskończenie sztywnej” powierzchni, takiej jak szafir. Powierzchnia „nieskończenie sztywna” jest wybierana względem wspornika w taki sposób, aby wspornik nie wbił próbki podczas pomiaru krzywej siły. Po zebraniu krzywej siły sygnału fotodetektora vs. ruchu piezoelektrycznego oblicza się nachylenie odpychającej części ściany. To jest czułość ugięcia.

należy pamiętać, że w opcjach kalibracji instrumentu Nanosurf Flex-ANA i wspornika innych linii produktów kalibracja czułości czujki jest zautomatyzowana, gdzie zbierane są wiele krzywych i obliczana jest średnia wartość czułości Czujki.

kalibracja stałej sprężyny

Kalibracja stałej sprężyny prostokątnych wsporników odbywa się metodą Sader na Nanosurf AFMs i jest realizowana dla wszystkich obecnych linii produktów. Ta metoda polega na wprowadzeniu długości i szerokości wspornika (dostarczonych przez dostawcę i odczytanych z listy wsporników w oprogramowaniu). Ogólnie rzecz biorąc, widmo szumu termicznego wspornika jest rejestrowane, gdy ruch termiczny w temperaturze pokojowej jest używany do napędzania wspornika. Poniżej przedstawiono przykładowe spektrum strojenia termicznego. Pojedynczy model oscylatora harmonicznego służy do dopasowania piku w widmie termicznym w celu wyodrębnienia częstotliwości rezonansowej i współczynnika jakości. Wszystkie te parametry są następnie wprowadzane do modelu Sadera w celu hydrodynamicznego tłumienia wspornika w danym środowisku, który następnie oblicza stałą sprężyny.
Alternatywnie można użyć zamiatania częstotliwości do kalibracji stałej sprężyny. Tutaj shaker piezo służy do napędzania wspornika.

w przypadku stałej kalibracji sprężyny ważne jest, aby wspornik był wycofywany z powierzchni, gdy wystąpią takie zamiatanie częstotliwości (metodą termiczną lub piezoelektryczną). Zaleca się podniesienie z powierzchni co najmniej 100 µm.

sprzężenie zwrotne

ostateczną zasadą, która jest ważna dla zrozumienia działania AFM, jest sprzężenie zwrotne. Sprzężenie zwrotne i parametry sprzężenia zwrotnego są wszechobecne w naszym życiu. Na przykład temperatura jest parametrem sprzężenia zwrotnego w termostacie. Termostat jest ustawiany na żądaną temperaturę (setpoint). W miarę zmian temperatury w środowisku porównuje się ją z zadaną temperaturą, dzięki czemu grzejnik (lub klimatyzator) wie, kiedy włączać i wyłączać, aby utrzymać temperaturę na pożądanej wartości.

podobnie w mikroskopach sił atomowych, w zależności od różnych trybów, istnieje parametr, który służy jako wartość zadana. Na przykład w trybie statycznym (tryb kontaktowy) parametrem sprzężenia zwrotnego jest ugięcie wspornikowe, podczas gdy w najczęstszej formie trybu stukania amplituda oscylacji wspornikowej jest parametrem sprzężenia zwrotnego. Instrument stara się utrzymać ten parametr sprzężenia zwrotnego na stałym poziomie wartości zadanej, dostosowując piezo z, aby przesunąć sondę wspornikową w górę iw dół. Powstałe ruchy z-piezo dostarczają informacji o wysokości, aby utworzyć topografię powierzchni.

Kontrola pętli sprzężenia zwrotnego odbywa się poprzez kontrolę proporcjonalno-całkową-pochodną, często określaną jako zysk PID. Te różne zyski odnoszą się do różnic w tym, jak pętla sprzężenia zwrotnego dostosowuje się do odchyleń od wartości zadanej, sygnału błędu. W przypadku operacji AFM integralne wzmocnienie jest najważniejsze i może mieć najbardziej dramatyczny wpływ na jakość obrazu. Proporcjonalne wzmocnienie może zapewnić niewielką poprawę po optymalizacji integralnego wzmocnienia. Zysk Pochodny dotyczy głównie próbek o wysokich krawędziach. Jeśli zyski są ustawione zbyt nisko, pętla PID nie będzie w stanie dokładnie utrzymać wartości zadanej. Jeśli zyski zostaną wybrane zbyt wysoko, rezultatem będzie szum elektryczny w obrazie z zakłóceń sprzężenia zwrotnego. Kompensacja odchylenia od wartości zadanej jest większa niż sam błąd lub hałas zostaje zbyt mocno wzmocniony.

inne parametry, które są ważne w sprzężeniu zwrotnym, to szybkość skanowania i wartość zadana. Jeśli szybkość skanowania jest zbyt szybka, pętla PID nie będzie miała wystarczająco dużo czasu, aby dostosować parametr sprzężenia zwrotnego do wartości zadanej, a wysokość obliczona na podstawie ruchu piezoelektrycznego z odbiega od prawdziwej topografii na zboczach i w pobliżu krawędzi. Bardzo wolne szybkości skanowania zwykle nie stanowią problemu dla pętli PID, ale powodują długie czasy akwizycji, które mogą stanowić własne wyzwania, takie jak dryf termiczny. Optymalizacja zysków PID i szybkości skanowania są niezbędne w celu optymalizacji pętli sprzężenia zwrotnego. Wartość zadana wpływa na siłę oddziaływania lub impulsy między sondą a próbką. Wartość zadana bliska wartości parametru poza sprzężeniem zwrotnym jest najbardziej delikatna dla próbki, ale ma tendencję do spowalniania sprzężenia zwrotnego.

Poniżej znajduje się obraz, który został zebrany z różnymi ustawieniami wzmocnienia PID z tą samą szybkością skanowania. W czerwonym obszarze obraz jest cały szum elektryczny, ponieważ zyski są ustawione zbyt wysoko. Obszar obramowany na pomarańczowo ma również kilka smug hałasu elektrycznego ilustrujących ten sam problem. Na dole, w niebieskiej części, jest słabe śledzenie ze względu na zbyt niskie przyrosty. Wybrana zbyt wysoka szybkość skanowania miałaby podobny wygląd. Optymalne ustawienia obrazu i parametrów znajdują się w zielonej strefie.

skanowanie

Skanery elektromagnetyczne zapewniają bardzo dokładny i precyzyjny ruch w nanoskali W X, Y i Z przy niskim napięciu roboczym w Nanosurf AFMs. Tego rodzaju Skanery zapewniają znaczące zalety ruchu liniowego i braku pełzania w stosunku do innych rodzajów skanerów, takich jak skanery piezoelektryczne. Systemy Nanosurf FlexAFM łączą skaner piezoelektryczny dla ruchu Z Z skanerem elektromagnetycznym opartym na zginaniu w X i Y; Ta konfiguracja zapewnia szybki ruch W Z Z maksymalną płaskością W X i Y, co jest optymalne dla zaawansowanych możliwości oferowanych przez te systemy.

mikroskopy sił atomowych mogą być skonfigurowane do skanowania końcówki nad próbką (w tym przypadku próbka jest nieruchoma) lub skanowania próbki pod końcówką (w tym przypadku sonda jest nieruchoma). Wszystkie mikroskopy Nanosurf wykorzystują konfigurację skanowania końcówek. Taka konfiguracja zapewnia znaczną przewagę pod względem elastyczności i wielkości próbki. Przyrządy do skanowania końcówek mogą pomieścić duże i niekonwencjonalne rozmiary próbek; jedynym ograniczeniem próbki jest to, że musi pasować do instrumentu! Ponieważ końcówka jest przesunięta, a próbka pozostaje nieruchoma, próbka może mieć prawie dowolny rozmiar lub wagę i nadal może być skanowana przez AFM. Przykład elastyczności próbki przedstawiono poniżej za pomocą systemu NaniteAFM i specjalnie zbudowanego etapu translacji/rotacji w celu wykonywania pomiarów chropowatości dużych wklęsłych i wypukłych próbek.