Imaging system using higher-harmonic in the tapping mode of the ”Terra AFM” microscope

• Autorzy: Pawłowski S. , Dobiński G. , Smolny M. , Majcher A. , Mrozek M.

Warianty tytułu

PL

System obrazowania wykorzystujący wyższe harmoniczne w trybie kontaktu przerywanego mikroskopu „Terra AFM”

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Terra AFM is the atomic force microscope designed and built by the authors as a device for research applications in advanced technologies in industry and in teaching. In tapping-mode, in atomic force microscopy, the interaction between the tip and the sample is, in fact, non-linear and consequently higher harmonics of the fundamental resonance frequency of the oscillating cantilever are generated. In this paper, we present the Terra AFM system using the method of synchronous detection that allows simultaneously recording the amplitudes and phases of the fundamental resonance frequency and of the higher harmonics. The used detection system, composed of 16 bit 100 mega-samples per second (MSPS) analogue-to-digital converter (ADC) and field-programmable gate array (FPGA) device, allows measuring the amplitude and phase of the cantilever within one oscillation cycle and with good signal-to-noise ratio. As a result, good-quality images at higher harmonics could be obtained with the use of conventional cantilevers. The obtained results prove that higher-harmonics imaging can be used to distinguish between different materials. High spatial resolution (about 1 nm) of the presented system is also demonstrated.

PL

Mirroskop Terra AFM jest mikroskopem sił atomowych opracowanym i zbudowanym przez autorów jako urządzenie do zastosowań badawczych, przemysłowych i edukacyjnych w obszarze zaawansowanych technologii. W każdym mikroskopie sił atomowych pracującym w trybie kontaktu przerywanego oddziaływanie pomiędzy sondą i próbką ma charakter nieliniowy, co powoduje powstawanie wyższych harmonicznych częstotliwości podstawowej drgań sondy. W artykule przedstawiono system mikroskopu Terra AFM wykorzystujący metodę detekcji synchronicznej umożliwiającą jednoczesne wyznaczanie amplitudy i fazy wyższych harmonicznych przebiegu podstawowego. Głównymi elementami opracowanego systemu detekcji są przetwornik analogowo-cyfrowy o rozdzielczości 16 bitów i szybkości próbkowania 100 MSPS oraz układ programowalny FPGA pozwalający na pomiar amplitudy i fazy w okresu przebiegu podstawowego drgań sondy z dobrą wartością stosunku sygnału do szumu. Prowadzi to do otrzymywania dobrej jakości obrazów przy wyższych harmonicznych z użyciem typowej sondy mikroskopu AFM. Przedstawiono przykłady uzyskiwanych obrazów, które wskazują na przydatność systemu do rozróżniania obszarów próbek zbudowanych z różnych materiałów. Potwierdzają one również wysoką rozdzielczość przestrzenną (około 1 nm) opracowanego systemu.

Słowa kluczowe

EN

atomic force microscope; tapping mode; synchronous detection; phase imaging

PL

mikroskop sił atomowych; tryb kontaktu przerywanego; detekcja synchroniczna; obrazowanie fazowe

• Wydawca: Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji - Państwowego Instytutu Badawczego
• Czasopismo: Problemy Eksploatacji
• Rocznik: 2015
• Tom: no. 3
• Strony: 27--38
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., fot., rys.

Twórcy

autor

Pawłowski S.

• University of Łódź, Faculty of Physics and Applied Informatics, Łódź

autor

Dobiński G.

• University of Łódź, Faculty of Physics and Applied Informatics, Łódź

autor

Smolny M.

• University of Łódź, Faculty of Physics and Applied Informatics, Łódź

autor

Majcher A.

• Institute for Sustainable Technologies – National Research Institute, Radom

autor

Mrozek M.

• Institute for Sustainable Technologies – National Research Institute, Radom

Bibliografia

• 1. Majcher A., Mrozek M., Zbrowski A., Olejniczak W., Pawłowski S., Piskorski M.: STM/AFM microscope for application in industrial advanced technologies and the high schools education. Maintenance Problems 3/2011, pp. 177–188.
• 2. Sahin O., Yaralioglu G., Grow R., Zappe S.F., Atalar A., Quate C., Solgaard O.: High-resolution imaging of elastic properties using harmonic cantilevers. Sens. Actuators A 114 (2004), pp. 183–190.
• 3. Sahin O., Erina N.: High resolution and large dynamic range nanomechanical mapping in tapping-mode atomic force microscopy” Nanotechnology, 19, 445717 (2008), pp. 9.
• 4. Cleveland J.P., Anczykowski B., Schmid A.E., Elings V.B.: Energy dissipation in tapping-mode atomic force microscopy. Appl. Phys. Lett. 72 (1998), pp. 2613– 2615.
• 5. Martínez N.F., García R.: Measuring phase shifts and energy dissipation with amplitude modulation atomic force microscopy. Nanotechnology 17 (2006), pp. 167–172.
• 6. Balantekin M., Atalar A.: Power dissipation analysis in tapping-mode atomic force microscopy. Phys. Rev. B 67, (2003), pp. 193404.
• 7. Stark R.W., Heckl W.M.: Fourier transformed atomic force microscopy: tapping mode atomic force microscopy beyond the Hookian approximation. Surface Science 457 (2000), pp. 219–228.
• 8. Sahin O., Quate C.F., Solgaard O., Atalar A.: Resonant harmonic response in tapping-mode atomic force microscopy. Phys. Rev. B 69 (2004) 165416.
• 9. Stark R.W., Heckl W.M.: Higher harmonics imaging in tapping-mode atomic-force microscopy. Rev. Sci. Instrum. 74 (2003), 5111.
• 10. R.G. Lyons (Ed.): Streamlining Digital Signal Processing, IEEE Press, Wiley, New Jersey, 2007.
• 11. Dulebo A., Preiner J., Kienberger F., Kada G., Rankl C., Chtcheglova L., Lamprecht C., Kaftan D., Hinterdorfer P.: Second harmonic atomic force microscopy imaging of live and fixed mammalian cells. Ultramicroscopy 109 (2009), pp. 1056–1060.