principiul de lucru AFM

principiul AFM se bazează pe ansamblul consolă / vârf care interacționează cu eșantionul; acest ansamblu este, de asemenea, denumit în mod obișnuit sonda. Sonda AFM interacționează cu substratul printr-o mișcare de scanare raster. Mișcarea în sus / în jos și lateral a vârfului AFM pe măsură ce scanează de-a lungul suprafeței este monitorizată printr-un fascicul laser reflectat de pe consolă. Acest fascicul laser reflectat este urmărit de un detector foto sensibil la poziție (PSPD) care preia mișcarea verticală și laterală a sondei. Sensibilitatea la deformare a acestor detectoare trebuie calibrată în funcție de câți nanometri de mișcare corespund unei unități de tensiune măsurată pe detector.

pentru a realiza modurile AFM cunoscute sub numele de moduri de filetare, sonda este montată într-un suport cu un piezo agitator. Agitatorul piezo oferă posibilitatea de a oscila sonda la o gamă largă de frecvențe (de obicei de la 100 Hz la 2 MHz). Modurile de funcționare pot fi împărțite în moduri rezonante (unde funcționarea este la sau aproape de frecvența de rezonanță a consolei) și moduri de rezonanță oprită (unde funcționarea este la o frecvență de obicei mult sub frecvența de rezonanță a consolei).

principiul modului în care funcționează AFM este descris în următoarea schemă:

consola/ansamblul vârfului AFM

acest ansamblu constă dintr-un vârf foarte ascuțit (raza tipică de curbură la capăt pentru vârfurile comerciale este de 5-10 nm) care atârnă de fundul unei console lungi și înguste. Așa cum am menționat anterior, ansamblul consolă/vârf este denumit și sonda AFM. Lungimea / înălțimea vârfului consolei AFM variază în funcție de tipul de consolă.

cele mai comune două geometrii pentru consolele AFM sunt dreptunghiulare („placă de scufundare”) și triunghiulare. Un exemplu de configurație a plăcii de scufundare a pârghiilor este prezentat în imaginea SEM de mai jos; rețineți vârful atârnat de capăt.

Materialul consola AFM constă de obicei fie din siliciu, fie din nitrură de siliciu, unde nitrura de siliciu este rezervată consolelor mai moi cu constante inferioare ale arcului. Dimensiunile consolei sunt foarte importante, deoarece dictează Constanta sau rigiditatea arcului. Această rigiditate este fundamentală pentru a guverna interacțiunea dintre vârful consolei AFM și suprafața eșantionului și poate duce la o calitate slabă a imaginii dacă nu este aleasă cu atenție. Relația dintre dimensiunile consolei și constanta arcului, k, este definită de ecuația:

k = Ewt 3/4L3,

unde w = lățimea consolei; t = grosimea consolei; L = lungimea consolei și e = modulul Young al materialului consolei. Valorile constante nominale ale arcului sunt de obicei furnizate de vânzător atunci când cumpără sondele, dar pot exista variații semnificative ale valorilor reale.

Nanosurf oferă o modalitate simplă de calibrare a constantelor de arc ale sondelor, care este descrisă în secțiunea de mai jos.

calibrarea sensibilității la deformare

sensibilitatea detectorului este calibrată pentru a converti volți măsurați pe fotodetector în nanometri de mișcare. Calibrarea se realizează prin măsurarea unei curbe de forță pe o suprafață” infinit rigidă”, cum ar fi safirul. Suprafața „infinit rigidă” este aleasă în raport cu consola astfel încât consola să nu indenteze proba în timpul măsurării curbei forței. Odată ce curba de forță a semnalului fotodetector vs. mișcarea piezo este colectată, se calculează panta porțiunii respingătoare a peretelui. Aceasta este sensibilitatea la deformare.

rețineți că pe instrumentul Nanosurf Flex-ANA și opțiunile de calibrare în consolă ale altor linii de produse această calibrare a sensibilității detectorului este automatizată, unde sunt colectate mai multe curbe și se calculează valoarea medie a sensibilității detectorului.

calibrarea Constantei arcului

calibrarea Constantei arcului consolelor dreptunghiulare se face prin metoda Sader pe AFMs Nanosurf și implementată pentru toate liniile de produse actuale. Această metodă se bazează pe introducerea lungimii și lățimii consolei (furnizate de furnizor și citite dintr-o listă de consolă din software). În general, un spectru de zgomot termic al consolei este înregistrat acolo unde mișcarea termică la temperatura camerei este utilizată pentru a conduce consola. Un eșantion de spectru de reglare termică este prezentat mai jos. Un singur model de oscilator armonic este utilizat pentru a se potrivi vârfului în spectrul termic pentru a extrage frecvența de rezonanță și factorul de calitate. Toți acești parametri sunt apoi introduși în modelul Sader pentru amortizarea hidrodinamică a consolei într-un mediu dat, care apoi calculează constanta arcului.alternativ, o matura de frecvență poate fi folosit pentru a calibra constanta de primăvară. Aici agitatorul piezo este folosit pentru a conduce consola.

pentru calibrarea constantă a arcului este important ca consola să fie retrasă de la suprafață atunci când apar aceste măturări de frecvență (fie prin metodă termică, fie prin piezo). Se recomandă o ridicare de cel puțin 100 de metri cubi în afara suprafeței.

Feedback

principiul final care este important pentru înțelegerea funcționării AFM este cel al feedback-ului. Parametrii de Feedback și feedback sunt omniprezenți în viața noastră. De exemplu, temperatura este parametrul de feedback într-un termostat. Un termostat este setat la temperatura dorită (setpoint). Pe măsură ce temperatura din mediu se schimbă, este comparată cu valoarea de referință a temperaturii, astfel încât încălzitorul (sau aparatul de aer condiționat) să știe când să pornească și să se oprească pentru a menține temperatura la valoarea dorită.în mod similar, în microscoapele de forță atomică, în funcție de diferitele moduri, există un parametru care servește ca punct de referință. De exemplu, în modul static (modul de contact) parametrul de feedback este devierea în consolă, în timp ce în cea mai comună formă de mod de atingere, amplitudinea oscilației în consolă este parametrul de feedback. Instrumentul încearcă să mențină constant acest parametru de feedback la valoarea sa de referință prin ajustarea z-piezo pentru a deplasa sonda în consolă în sus și în jos. Mișcările z-piezo rezultate furnizează informații despre înălțime pentru a crea topografia suprafeței.

controlul buclei de feedback se face prin controlul proporțional-integral-derivat, adesea denumit câștigurile PID. Aceste câștiguri diferite se referă la diferențele în modul în care bucla de feedback se ajustează la abaterile de la valoarea de referință, semnalul de eroare. Pentru funcționarea AFM, câștigul integral este cel mai important și poate avea un efect cel mai dramatic asupra calității imaginii. Câștigul proporțional ar putea oferi o ușoară îmbunătățire după optimizarea câștigului integral. Câștigul derivat este în principal pentru probele cu margini înalte. Dacă câștigurile sunt setate prea mici, bucla PID nu va putea menține valoarea de referință cu precizie. Dacă câștigurile sunt alese prea mari, rezultatul va fi zgomotul electric din imagine din interferența feedback-ului. Compensarea pentru o abatere de la valoarea de referință este mai mare decât eroarea în sine sau zgomotul se amplifică prea puternic.

ceilalți parametri care sunt importanți în feedback sunt rata de scanare și valoarea de referință. Dacă rata de scanare este prea rapidă, bucla PID nu va avea suficient timp pentru a ajusta parametrul feedback la valoarea sa de referință, iar înălțimea calculată din mișcarea piezo z se va abate de la topografia adevărată la pante și în apropierea marginilor. Ratele de scanare foarte lente nu sunt de obicei o problemă pentru bucla PID, dar au ca rezultat timpi lungi de achiziție care pot pune propriile provocări, cum ar fi deriva termică. Optimizarea câștigurilor PID și rata de scanare sunt necesare pentru a optimiza buclele de feedback. Valoarea de referință afectează forța de interacțiune sau impulsurile dintre sondă și probă. Un punct de referință apropiat de valoarea parametrului din feedback-ul de contact este cel mai blând pentru eșantion, dar tinde să încetinească feedback-ul.

vedeți mai jos o imagine care a fost colectată cu diferite setări de câștig PID la aceeași rată de scanare. În zona roșie imaginea este tot zgomotul electric, deoarece câștigurile sunt setate prea mari. Zona încadrată în portocaliu are, de asemenea, câteva dungi de zgomot electric care ilustrează aceeași problemă. În partea de jos, în secțiunea albastră, există o urmărire slabă din cauza câștigurilor prea mici. O rată de scanare selectată prea mare ar avea un aspect similar. Setările optime ale imaginii și parametrilor se află în zona verde.

scanarea

scanerele electromagnetice oferă o mișcare nanometrică foarte precisă și precisă în X, Y și Z la tensiune de funcționare scăzută în AFMs Nanosurf. Aceste tipuri de scanere oferă avantaje semnificative ale mișcării foarte liniare și absența fluajului față de alte tipuri de scanere, cum ar fi scanerele piezoelectrice. Sistemele bazate pe Nanosurf FlexAFM combină un scaner piezoelectric pentru mișcarea Z cu un scaner electromagnetic bazat pe flexură în X și Y; această configurație oferă mișcare rapidă în Z cu planeitate maximă în X și Y, ceea ce este optim pentru capacitățile avansate oferite de aceste sisteme.microscoapele de forță atomică pot fi configurate fie pentru a scana vârful peste eșantion (caz în care eșantionul este staționar), fie pentru a scana eșantionul sub vârf (caz în care sonda este staționară). Toate microscoapele nanosurf folosesc configurația de scanare a vârfurilor. Această configurație oferă un avantaj semnificativ în ceea ce privește flexibilitatea și dimensiunea eșantionului. Instrumentele de scanare Tip pot găzdui dimensiuni mari și neortodoxe ale eșantionului; singura limitare a eșantionului este că trebuie să se încadreze în instrument! Deoarece vârful este mutat și eșantionul rămâne staționar, eșantionul poate avea aproape orice dimensiune sau greutate și poate fi scanat în continuare de AFM. Un exemplu de flexibilitate a eșantionului este prezentat mai jos cu sistemul NaniteAFM și o etapă de traducere/rotație personalizată pentru a efectua măsurători de rugozitate pe eșantioane mari concave și convexe.