Description of the publication:

Authors:

Andrzej Sikora, Łukasz Bednarz

Title:

Procedura doboru parametrów oddziaływania ostrze–próbka w celu uzyskania optymalnej rekonstrukcji krzywej spektroskopii sił w trybie pomiarowym NanoSwing mikroskopii sił atomowych

Journal:

Metrologia dziś i jutro – 2011

Year:

2011

Vol:

---

Pages:

199–212

ISSN/ISBN:

978–83–62582–04–4

DOI:

-----

Keywords:

Mikroskopia sił atomowych, przetwarzanie sygnałów, nanotechnologia, właściwości mechaniczne

Abstract:

Mikroskopia sił atomowych (ang. AFM - Atomic Force Microscopy) jest jedną z technik obrazowania topografii oraz różnych właściwości fizycznych powierzchni z nanometrową rozdzielczością. Opracowany we wrocławskim oddziale Instytutu Elektrotechniki tryb pomiarowy NanoSwing jest zaawansowaną techniką pomiarową, która dzięki wykorzystaniu złożonej analizy sygnału skrętnych wychyleń belki skanującej umożliwia mapowanie adhezji, sprężystości, rozpraszania energii oraz siły maksymalnej oddziaływań pomiędzy ostrzem skanującym a powierzchnią. Uzyskanie odpowiedniej jakości sygnału pozwalającego na przeprowadzenie rekonstrukcji tzw. krzywej spektroskopii sił umożliwiającej wyznaczenie parametrów mechanicznych powierzchni, wymaga doboru parametrów oddziaływań ostrze–próbka, jakimi są amplituda drgań ostrza skanującego oraz współczynnik tłumienia wolnych oscylacji (tzw. wartość zadana). Ponadto, w celu przeprowadzenia prawidłowego przetwarzania sygnału, konieczne jest także zdefiniowanie zakresu widmowego poddawanego analizie. W pracy opisano podstawy działania systemu pomiarowego NanoSwing oraz procedurę doboru parametrów skanowania powierzchni, pozwalającą na przeprowadzenie mapowania właściwości mechanicznych próbki. Zaprezentowano przykładowe wyniki pomiarów rzeczywistych obiektów.

References:

♦ Albrecht T.R., Akamine S., Carver T.E., Quate C.F., Microfabrication of cantilever styli for the atomic force microscope, J. Vac. Sci. Technol. A 8, 1990, str. 3386
♦ Albrecht T.R., Grutter P., Rugar D., Smith D.P.E., Low temperature force microscope with all-fiber interferometer, Ultramicroscopy 42-44, 1992, str. 1638
♦ Anczykowski B., Krueger D., Fuchs H., Cantilever dynamics in quasinoncontact force microscopy: Spectroscopic aspects, Physical Review B 53, 1996
♦ Betzig E., Finn P. L., Weiner J. S., Combined shear force and near-field scanning optical microscopy, Appl. Phys. Lett 60 (20), 1992, str. 2484-2486
♦ Binggeli M., Christoph R., Hintermann H.E., Colchero J., Marti O., Friction force measurements on potential controlled graphite in an enviroment, Nanotechnology 4, 1993, str. 59
♦ Binnig G., Quate C.F., Gerber Ch., Atomic Force Microscope, Physical Reviev Letters 56 (9), 1986, str. 930-933
♦ Cleveland J.P., Anczykowski B., Schmid A.E., Elings V.B., Energy dissipation in tapping-mode atomic force microscopy, Appl. Phys. Lett. 72, 1998, str. 2613-2615
♦ Czerkas S., Dziomba T., Bosse H., Nanoscale Calibration Standards and Methods, Editor(s): Wilkening G., Koenders L. (Berlin: Wiley-VCH), 2005, str. 311
♦ Dagata J. A., Schneir J., Harary H. H., Evans C. J., Postek M. T., Bennett J., Modification of hydrogen-passivated silicon by a scanning tunneling microscope operating in air, Appl. Phys. Lett. 56 (20), 1990, str. 2001-2003
♦ Derjaguin B.V., Muller V.M., Toropov Yu.P., J. Colloid. Interface Sci. 53, 314 (1975)
♦ García R., Perez R., Dynamic atomic force microscopy methods, Surf. Sci. Rep. 47, 2002, str. 197-301
♦ García R., San Paulo A., Attractive and repulsive tip-sample interaction regimes in tapping-mode atomic force microscopy, Physical Review B 60, 1999, str. 4961-4967
♦ Giessibl F.J., Gerber C., Binnig G., A low-temperature atomic force/scanning tunneling microscope for ultrahigh vacuum, J. Vac. Sci. Technol. B 9, 1991, str. 984.
♦ Hug H.J., Moser A., Jung T., Fritz O., Wadas A., Parashikor I., Güntherodt H.J., Low temperature magnetic force microscopy, Rev. Sci. Instrum. 64, 1993, str. 2920
♦ MAJUMDAR A., CARREJO J. P., LAI J., Thermal imaging using atomic force microscope, Appl. Phys. Lett. 63 (20), 1993, str. 2501-2503
♦ Marti O., Drake B., Hansma P.K., Atomic force microscopy of liquid-covered surfaces: atomic resolution images, Appl. Phys. Lett. 51, 1987 , str. 484
♦ Martin Y., Williams C. C., Wickramasinghe H. K., Atomic force microscope-force mapping and profiling on a sub 100-A scale, J. Appl. Phys. 61 (10) 1987, str. 4723-4729
♦ Naitou Y., Ookubo N., Shear-mode scanning capacitance microscope, Applied physics letters, 78(19), 2001, str. 2955-2957
♦ Neumeister J.M., Ducker W.A., Lateral, normal, and longitudinal spring constants of atomic force microscopy cantilevers, Rev. Sci. Instrum. 65 (8), 1994, str. 2527-2531
♦ Notargiacomo A., Foglietti V., Cianci E., Capellini G., Adami M., Faraci P., Evangelisti F., Nicolini C., Atomic force microscopy lithography as a nanodevice development technique, Nanotechnology 10, 1999, str. 458-463
♦ de Pablo P. J., Colchero J., Luna M., Gomez-Herrero J., Baro A. M., Tip-sample interaction in tapping-mode scanning force microscopy, Physical Review B 61 (20), 2000, str. 14179-14183
♦ PINER R. D., Zhu J., Xu F., Hong S., Mirkin C. A., Dip Pen Nanolithography, Science 283, 1999, str. 661-663
♦ Proksch R., Recent advances in magnetic force microscopy, Current Opinion in Solid State and Material Science 4, 1999, str. 231-236
♦ Sahin O., Erina N., High resolution and large dynamic range nanomechanical mapping in tapping-mode atomic force microscopy, Nanotechnology 19, 2008, 445717
♦ Sahin O., Su C., Magonov S., Quate C.F., Solgaard O., An atomic force microscope tip designed to measure time-varying nanomechanical forces, Nature Nanotechnology, No. 2, 2007, str. 507-514
♦ San Paulo A., García R., Tip-surface forces, amplitude and energy dissipation in amplitude modulation (tapping mode) force microscopy, Physical Review B 64, 2001, 193411
♦ San Paulo A., García R., Unifying theory of tapping-mode atomic force microscopy, Physical Review B 66, 2002, 041406(R)
♦ Sikora A., Bednarz Ł., Mapping of mechanical properties of the surface by utilization of torsional oscillation of the cantilever in atomic force microscopy, Central European Journal of Physics, 2011, Vol 9, No. 2, str. 372-379
♦ Sikora A., Bednarz Ł., Szeloch R., Zaawansowane przetwarzanie i analiza sygnałów pomiarowych w czasie rzeczywistym w systemie mikroskopii bliskiego pola, Prace Wrocławskiego Towarzystwa Naukowego, seria B, nr 216, Wrocław 2010, str. 117-124
♦ Sikora A., Gotszalk T., Szeloch R., Combined shear force - tunnelling microscope with interferometric tip oscillation detection for local surface investigation and oxidation, Nanoscale Calibration Standards and Methods, (Wilkening G., Koenders L. - Editors), Wiley-VCH, Berlin 2005, str. 144-155
♦ Su C., Huang L., Kjoller K., Babcock K., Studies of tip wear processes in tapping mode™ atomic force microscopy, Ultramicroscopy 97(1-4), 2003, str. 135-144
♦ Stark M., Stark R.W., Heckl W.M., Guckenberger R., Inverting dynamic force microscopy: From signals to time-resolved interaction forces, P Natl Acad Sci USA 99, 2002, str. 8473-8478
♦ Wildoer J.W.G., Harmans C.J.P.M., Van Kempen H., Observation of Landau levels at the InAs(110) surface by scanning tunneling spectroscopy, Phys. Rev. B 55, 1997, str. R16013
♦ Yasutake M., Aoki D., Fujihira M., Surface potential measurement using the Kelvin probe force microscope, Thin Solid Films 273, 1996, str. 279-283

Example figure:

Wykresy ilustrujące wpływ parametrów pracy systemu NanoSwing na poprawność wyznaczania właściwości mechanicznych powierzchni.