A measurement system for nonlinear surface spectroscopy with an atomic force microscope during corrosion process monitoring

• Autorzy: Babicz S. , Zieliński A. , Smulko J. , Darowicki K.

Warianty tytułu

PL

System pomiarowy do nieliniowej spektroskopii powierzchni mikroskopem sił atomowych podczas monitorowania procesów korozji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In addition to traditional imaging of the surface, atomic force microscopy (AFM) enables wide variety of additional measurements. One of them is higher harmonic imaging. In the tapping mode the nonlinear contact between a tip and specimen results in higher frequency vibrations. More information available from the higher harmonics analysis proves to be helpful for more detailed imaging. Such visualization is especially useful for heterogeneous surfaces which are studied to understand corrosion mechanisms. In this paper the measurement system for nonlinear surface spectroscopy by AFM for corrosion processes monitoring is presented.

PL

Oprócz tradycyjnego zastosowania, mikroskop sił atomowych (ang. Atomic Force Microscope, AFM) [1] (rys. 1) umożliwia wiele dodatkowych pomiarów, wśród których wyróżnić można obrazowanie powierzchni próbki wyższymi harmonicznymi [6-13]. W trybie półkontaktowym [2-4] w odpowiedzi mikrobelki zauważane są wyższe harmoniczne będące wynikiem oddziaływań nieliniowych [2-6]. Wykorzystanie wzmacniacza fazoczułego (ang.: lock-in amplifier) umożliwia obrazowanie topografii badanej próbki [12, 13] nawet do dwudziestej harmonicznej. Otrzymywane obrazy umożliwiają wyostrzenie elementów niewidocznych podczas tradycyjnego skanowania. Ma to związek z wyostrzoną czułością wyższych harmonicznych na struktury topograficzne. Takie obrazowanie jest szczególnie przydatne do badań próbek niejednorodnych [12], gdy łatwo wyróżnić przez obserwację poziom niektórych harmonicznych [6]. Oprócz wyraźnych zmian przy przejściach między różnymi substancjami, pomiary w cieczach wykazują się zwiększoną wrażliwością na lokalne różnice w elastyczności i interakcji geometrii [10]. Przedstawiono system do obrazowania powierzchni za pomocą wyższych harmonicznych w pomiarach ECAFM (ang. Electrochemical Atomic Force Microscopy, ECAFM, rys. 2). Prezentowane rozwiązanie (rys. 3, rys. 4) umożliwia jednoczesną rejestrację obrazów do szóstej harmonicznej podczas monitorowania procesów korozji (rys. 5, 6). Proponowany system pozwala na uzyskiwanie dodatkowych informacji o zjawiskach korozji zachodzących na skanowanych powierzchniach. Taka metoda stanowi uzupełnienie istniejących metod analizy powierzchni korozyjnych [14-16].

Słowa kluczowe

EN

corrosion; atomic force microscopy (AFM); synchronous detection; nonlinearity

PL

korozja; mikroskop sił atomowych; detekcja synchroniczna; nieliniowości

• Wydawca: Wydawnictwo PAK
• Czasopismo: Pomiary Automatyka Kontrola
• Rocznik: 2013
• Tom: R. 59, nr 4
• Strony: 287--291
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., wzory

Twórcy

autor

Babicz S.

• Gdansk University of Technology, Faculty of Electronics, Telecommunications and Informatics, 11/12 Gabriela Narutowicza Street, 80-233 Gdansk, Poland

autor

Zieliński A.

• Gdansk University of Technology, Chemical Faculty, 11/12 Gabriela Narutowicza Street, 80-233 Gdansk, Poland

autor

Smulko J.

• Gdansk University of Technology, Faculty of Electronics, Telecommunications and Informatics11/12 Gabriela Narutowicza Street, 80-233 Gdansk

autor

Darowicki K.

• Gdansk University of Technology, Chemical Faculty, 11/12 Gabriela Narutowicza Street, 80-233 Gdansk, Poland

Bibliografia

• [1] Binning G., Quate C. F., Gerber C.: Atomic force microscope. Physical Review Letters 56, 1986.
• [2] Garcia R., San Paulo A.: Attractive and repulsive tip-sample interaction regimes in tapping-mode atomic force microscopy. Physical Review B 60, 1999.
• [3] Garcia R., Pèrez R.: Dynamic atomic force microscopy methods. Surface Science Reports 47, 2002.
• [4] Garcia R., San Paulo A.: Dynamics of a vibrating tip near or in intermittent contact with a surface. Physical Review B 61, 2000.
• [5] Lee S. I., Howell S. W., Raman A., Reifenberger R.: Nonlinear dynamics of microcantilevers in tapping mode atomic force microscopy: A comparison between theory and experiment. Physical Review B 66, 2002.
• [6] Sahin O., Quate C. F., Solgaard O.: Resonant harmonic response in tapping-mode atomic force microscopy. Physical Review B 69, 2004.
• [7] Stark R. W., Heckl W. M.: Higher harmonics imaging in tapping-mode atomic-force microscopy. Review of Scientific Instruments 74, 2003.
• [8] Stark R. W.: Spectroscopy of higher harmonics in dynamic atomic force microscopy. Nanotechnology 15, 2004.
• [9] Hillenbrand R., Stark M., Guckenberger R.: Higher-harmonics generation in tapping-mode atomic-force microscopy: Insights into the tip–sample interaction. Applied Physics Letters 76, 2000.
• [10] Preiner J., Tang J., Pastushenko V., Hinterdorfer P.: Higher Harmonic Atomic Force Microscopy: Imaging of Biological Membranes in Liquid. Physical Review Letters 99, 2007.
• [11] Babicz S.: The study of harmonic imaging by AFM. Pomiary Automatyka Kontrola 12, 2011.
• [12] Sikora A., Bednarz Ł.: The implementation and the performance analysis of the multi-channel software-based lock-in amplifier for the stiffness mapping with atomic force microscope (AFM). Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences 60, 2012.
• [13] Babicz S., Zieliński A., Smulko J.: Enhancing capabilities of Atomic Force Microscopy by tip motion harmonics analysis. Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences 61, 2013 (during the issue).
• [14] Hoja J., Lentka G.: Analyzer for spectroscopy of low impedance. Metrology and Measurement Systems XVI (1), 2009.
• [15] Niedostatkiewicz M., Zielonko R.: Investigation on accelerated impedance spectrum measurement method with mulisine signal stimulation objects. Metrology and Measurement Systems XVI (4), 2009.
• [16] Antoniuk P., Strąkowski M., Pluciński J., Kosmowski B.: Non-Destructive Inspection of Anti-corrosion protective coatings using optical coherent tomography. Metrology and Measurement Systems XIX (2), 2012.