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Microscopie à force atomique sans contact (NC-AFM)

Produits reliés: MFLI, UHFLI, HF2LI

Description de l'application

Amplitude and phase feedback loops for NC-AFM

La microscopie à force atomique sans contact (NC-AFM), également connue sous le nom de microscopie à force dynamique (DFM), est le mode AFM qui, historiquement, a atteint la plus haute résolution de microscopie, jusqu'aux niveaux subatomiques, dans l'espace réel. La plupart des applications NC-AFM sont réalisées sous ultravide (UHV) et/ou dans un environnement à basse température afin de bénéficier d'une sensibilité élevée du facteur de qualité Q ; ceci est particulièrement pertinent lorsqu'il s'agit de forces à courte portée ou d'imagerie à l'échelle atomique. Le suivi de la fréquence de résonance permet une réponse plus rapide que les techniques en boucle ouverte dans des conditions similaires, et permet aussi de bénéficier d'un effet résonant quantitatif.

Du point de vue de l'instrumentation, trois aspects doivent être pris en compte pour obtenir les meilleures performances en mode NC-AFM :

Une pente de phase élevée à la résonance donne une meilleure sensibilité de la fréquence.

Le fonctionnement en mode NC-AFM est optimal avec des résonateurs à haut facteur de qualité Q (par exemple, des diapason à quartz ou à base de MEMS) ou dans un environnement sous vide limitant les pertes intrinsèques.

Un asservissement en boucle fermée permet d'atteindre plus rapidement un état d'équilibre.

Un facteur de qualité Q élevé signifie une faible bande passante à la résonance (proportionnelle à f/2Q). Pour obtenir un temps de mesure par pixel qui n'est pas trop long, une boucle à verrouillage de phase (PLL) optimisée offre le meilleur compromis entre vitesse et résolution. Cette technique diffère du 'mode tapping' ou de la AM-AFM, où la phase varie librement et l'amplitude se rétablit sur des échelles de temps plus longues.

La linéarisation du système donne accès à des mesures quantitatives et précises.

La phase et l'amplitude peuvent être suivies simultanément pour fournir des informations supplémentaires sur les processus de dissipation. Le suivi de la résonance en temps réel garantit une mesure d'amplitude toujours à la résonance, offrant ainsi une réponse maximale et une amplification à gain constant pour une analyse quantitative.

Stratégies de mesure

La technique NC-AFM est appelée aussi AFM à modulation de fréquence (FM-AFM) en raison de la variation de fréquence de résonance provoquée par l'interaction pointe-échantillon. Ce décalage de la fréquence de résonance est mesuré et suivi grâce à une PLL, tandis qu'un contrôleur automatique de gain (AGC) maintient l'amplitude constante.

Le mouvement oscillant de la pointe reflète la convolution de l'interaction pointe-échantillon avec un résonateur robuste et stable : en mode dynamique oscillant, comme les contributions statiques s'annulent l'observable physique est le gradient de force directement lié au décalage de fréquence de la résonance. L'amplitude et la phase de ce mouvement oscillant sont mesurées par détection synchrone pour être utilisées dans deux boucles PID différentes. Dans le système NC-AFM, la PLL et l'AGC fonctionnent ensemble en agissant sur la fréquence de l'oscillateur et sur la sortie de la tension d'excitation, pour générer un signal de sortie qui exciste le résonateur mécanique, comme indiqué sur la figure. La même méthode peut être appliquée aux résonateurs optomécaniques et aux systèmes micro-/nano-électromécaniques (MEMS/NEMS).

L'objectif de la PLL et de l'AGC est de verrouiller le signal d'excitation en phase tout en maintenant l'amplitude de l'oscillation à sa valeur de résonance. Cela permet de séparer les processus conservatifs et dissipatifs, et de garantir des mesures quantitatives en temps réel. L'option PLL/PID - disponible sur les détection synchrones MFLI, UHFLI et HF2LI - permet d'optimiser une ou plusieurs boucles d'asservissement grâce à des outils de simulation qui déterminent les valeurs P, I et D pour la bande passante souhaitée. Le PID Advisor du logiciel de contrôle LabOne s'appuie sur des modèles quantitatifs de fonction de transfert test.

Lors du balayage de la pointe, tous les signaux disponibles en interne, tels que la phase, l'amplitude, la fréquence et la tension d'excitation, sont disponibles en sortie sur des BNC analogiques ou enregistrés numériquement avec le module d'acquisition de données (DAQ) ou l'une des API de LabOne. Les données peuvent être alignées pour former une image, à condition qu'un déclencheur de fin de ligne (EOL) ou le signal de balayage selon l'axe X soit fourni comme signal de déclenchement à l'instrument. Plusieurs images peuvent alors être acquises simultanément, selon plusieurs modes propres ou harmoniques par exemple.

Pourquoi choisir Zurich Instruments

  • Pas de compromis entre vitesse et résolution : assurez-vous de choisir les meilleurs paramètres avec le PID Advisor.
  • Vous pouvez enregistrer numériquement tous les signaux internes en synchronisant l'acquisition de données avec le générateur de scan grâce au module DAQ de LabOne.
  • Etendez les mesures à d'autres modes où la détection multifréquence et les mesures de 'sidebands' peuvent être ajoutées comme options.
  • Profitez de la compatibilité avec tous les microscopes AFM/STM, apportant une amélioration immédiate des performances et des modes disponibles.
  • Les fonctionnalités PLL/PID peuvent être intégrées dans des logiciels tiers grâce aux API de LabOne.

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Publications

Albrecht, T.R., Grütter, P., Horne, D. & Rugar, D.

Frequency modulation detection using high‐Q cantilevers for enhanced force microscope sensitivity

J. Appl. Phys. 69, 668 (1991)

Giessibl, F.J.

Atomic resolution on Si(111)-(7×7) by noncontact atomic force microscopy with a force sensor based on a quartz tuning fork

Appl. Phys. Lett. 76, 1470 (2000)

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