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비접촉 원자력 현미경 (NC-AFM)

관련 제품: MFLI, UHFLI, HF2LI

응용기술 설명

Amplitude and phase feedback loops for NC-AFM

동적 힘 현미경(dynamic force microscopy - DFM)이라고도 하는 비접촉 원자력 현미경(non-contact atomic force microscopy - NC-AFM)은 역사상 실제 공간에서 서브원자 이하수준까지 가장 높은 현미경 해상도를 달성한 AFM 모드입니다. 대부분의 NC-AFM 애플리케이션은 높은 Q-계수(Q-factor) 감도의 이점을 얻기 위해 초고진공(UHV) 및/또는 저온 환경에서 수행됩니다; 이것은 단거리 힘 또는 원자스케일의 이미징을 다룰 때 특히 관련이 있습니다. 공진 주파수를 추적하면 유사한 조건에서 개방 루프 기법(open-loop techniques)에 비해 더 빠른 응답이 가능하고, 정량적 공진 개선이라는 추가적인 이점이 있습니다.

계측 관점에서, NC-AFM의 최고 성능을 위해서는 세 가지 측면이 고려되어야 합니다.

공진에서 가장 가파른 위상 기울기는 가장 높은 감도와 직접적인 관련이 있습니다.

NC-AFM 작동은 high-Q resonators (공진기, 예: 석영 또는 MEMS 기반 센서)와 함께 가장 잘 작동됩니다. 또는 고유 손실을 제한하는 진공 환경에서 가장 잘 작동합니다.

우수한 서보 루프 전자 장치는 이완 속도를 높입니다.

High-Q는 작은 공진기 고유 대역폭(f/2Q에 비례)을 의미합니다. 적절한 픽셀 드웰 시간을 달성하기 위해, 최적화된 위상 고정 루프(phase-locked loop - PLL)는 속도와 분해능 사이에서 최상의 균형을 제공합니다. 이는 위상이 자유롭게 변하고, 더 긴 시간 스케일에 걸쳐 진폭이 안정되는, 태핑모드(tapping-mode) 또는 AM-AFM 기법과는 다릅니다.

시스템을 선형화하면 정량적이고 정확한 측정에 액세스할 수 있습니다.

위상 및 진폭을 동시에 추적하여 소실과정에 대한 추가 정보를 제공할 수 있습니다. 공진을 주의 깊게 추적하면 진폭 측정이 항상 피크 공진 값에서 수행되므로, 정량 분석을 위한 최대 응답과 일정한 이득 증폭을 제공합니다.

측정 전략

NC-AFM은 종종 주파수 변조 AFM (FM-AFM)으로 불리는데, 이는 팁-샘플 상호작용으로 인한 공진 주파수의 감쇠 때문입니다. 이러한 공진 주파수 이동은 PLL 덕분에 측정 및 추적되며, 이때 AGC (automatic gain controller)는 진폭을 일정하게 유지합니다.

팁의 진동 운동은 강하고 안정적인 공진기와 작은 팁-샘플 상호작용의 컨볼루션을 반영합니다. 정적 기여도가 동적 모드에서 취소되어 사라지므로, 물리적 관측 가능한것은 공진에서 주파수 이동과 직접적으로 관련된 힘 기울기입니다. 이 진동 운동의 진폭 및 위상은 잠금(락인) 감지 기술로 측정하여 두 개의 다른 PID 루프에 공급할 수 있습니다. NC-AFM에서, PLL과 AGC는 그림과 같이, 발진기의 구동 주파수와 기계적 공진기의 구동 신호(즉 물리적 신호 출력)를 발생시키는 여기(excitation) 전압 출력에 작용하여 함께 작동합니다. 동일한 방법을 광역학(optomechanical) 공진기와 마이크로/나노-전기역학 시스템(MEMS/NEMS)에도 적용할 수 있습니다.

PLL과 AGC의 목적은 진동 진폭을 피크 공진 값으로 유지하면서 구동 신호를 위상으로 고정하는 것입니다. 이것은 보수(conservative) 및 소산(dissipative) 프로세스를 분리하고, 정량적 측정을 보장합니다. MFLI, UHFLIHF2LI 잠금증폭기(락인증폭기, 락인앰프)에서 사용 가능한 PLL/PID 옵션을 사용하면, 주어진 대상 루프 대역폭에 대해 P, I 및 D 값을 결정하는 시뮬레이션 도구를 통해 하나 또는 여러 피드백 루프를 최적화할 수 있습니다. 실제로, LabOne 제어 소프트웨어 내의 PID Advisor는 정량적 DUT 전달함수 모델에 의존합니다.

스캔하는 동안, 위상, 진폭, 주파수 및 여기 전압과 같은 내부적으로 사용 가능한 모든 신호를 아날로그 BNC로 출력하거나 LabOne 데이터 수집(DAQ) 모듈 또는 LabOne API 중 하나를 사용하여 디지털로 기록할 수 있습니다. 일부 EOL (end of line trigger) 또는 고속 스캔 축이 장비에 트리거 신호로 공급되는 경우, 데이터를 정렬하여 이미지를 형성할 수 있습니다. 그런 다음 여러 고유 모드 또는 고조파를 통해 여러 이미지를 한 번에 얻을 수 있습니다.

취리히인스트루먼트 선택의 이점

  • 속도와 분해능 사이에서 타협하지 마십시오. PID Advisor로 최상의 매개변수를 선택할 수 있습니다.
  • LabOne DAQ 모듈 덕분에 데이터 수집을 스캔 엔진과 동기화하여 모든 내부 신호를 디지털로 저장할 수 있습니다.
  • 다중 주파수 및 직접 사이드밴드 감지를 설정 기능에 추가할 수 있는 다양한 새로운 모드가 가능합니다.
  • 선호하는 타사 현미경의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 간단한 추가 기능만 있으면 됩니다.
  • LabOne API 덕분에 PLL/PID 기능을 타사 소프트웨어에 통합할 수 있습니다.

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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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