Metoda detekcji amplitudy i fazy w trybie kontaktu przerywanego w dynamicznym mikroskopie sił atomowych

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

Warianty tytułu

EN

The method of amplitude and phase detection in tapping-mode in dynamic atomic force microscopy

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono metodę detekcji drgań sondy pomiarowej w dynamicznym mikroskopie sił atomowych DFM (ang. Dynamic Force Microscopy), która umożliwia jednoczesny, synchroniczny pomiar zarówno amplitudy, jak i fazy składowych harmonicznych sygnału pochodzącego z oscylującej sondy. Model mikroskopu wyposażono w układy wzbudzania oraz detekcji w oparciu o szybkie przetworniki analogowo cyfrowe oraz układ FPGA Vitex-5. Zaimplementowany algorytm dyskretnej transformaty Fouriera FFT oblicza wartość amplitudy pierwszej (lub innej, dowolnej) harmonicznej, która podawana jest do obwodu pętli sprzężenia zwrotnego w celu stabilizacji punktu pracy mikroskopu. Niezależnie przeprowadzana jest również szybka FFT dostarczająca informacji o wartości amplitud oraz faz składowych poszczególnych harmonicznych sygnału z sondy pomiarowej. Opracowana metoda próbkowania pozwala na uniknięcie tak zwanego przecieku transformaty oraz nie wymaga stosowania okienkowania sygnału wejściowego. W opisanym rozwiązaniu informacja o amplitudzie, fazie i zawartości widmowej badanego sygnału jest dostępna praktycznie natychmiast po zakończeniu próbkowania pojedynczego okresu drgań sondy pomiarowej.

EN

This paper presents a method of detecting vibrations in a dynamic probe atomic force microscopy DFM (Dynamic Force Microscopy), which allows simultaneous, synchronous measurement of both the amplitude and phase of harmonic signal from the oscillating probe. The model of the microscope is equipped with excitation and detection systems based on the fast 100 MHz analog and digital FPGA Vitex-5. The algorithm implemented discrete Fourier transform FFT calculates the amplitude of the first (or another) harmonic, which is fed to the circuit feedback loop to stabilize the operating point of the microscope. Regardless also fast Fourier transform FFT is done providing information about the amplitude and phase of each harmonic components of the signal from the probe. The presented sampling method avoids the so-called transform leakage and does not require the use of the windowing of the input signal. In the described embodiment information about the amplitude and phase of the spectral content of the test signal is available almost immediately after a single period of oscillation sampling probe.

Słowa kluczowe

PL

mikroskop sił atomowych dynamiczny; tryb kontaktu przerywanego; szybka transformata Fouriera FFT; detekcja amplitudy i fazy

EN

dynamic atomic force microscopy; tapping-mode; fast Fourier transform (FFT); amplitude and phase detection

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2013
• Tom: nr 6
• Strony: 87--98
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys.

Twórcy

autor

Pawłowski S.

• Uniwersytet Łódzki, ul. Narutowicza 65, 90-131 Łódź

autor

Dobiński G.

• Uniwersytet Łódzki, ul. Narutowicza 65, 90-131 Łódź

autor

Majcher A.

• Instytut Technologii Eksploatacji – PIB, ul. Pułaskiego 6/10, 26-600 Radom

autor

Mrozek M.

• Instytut Technologii Eksploatacji – PIB, ul. Pułaskiego 6/10, 26-600 Radom

Bibliografia

• 1. Binnig G., Quate C., Gerber C.: Atomic force microscope, Phys. Rev. Lett. 56, 930-933 (1986).
• 2. Cleveland J.P., Anczykowski B., Schmid A.E., Elings V.B.: Energy dissipation in tapping-mode atomic force microscopy. Appl. Phys. Lett. 72, 2613 (1998).
• 3. Jeong Y., Jayanth G.R., Jhiang S.M., Menq C.H.: Direct tip-sample interaction force control for the dynamic mode atomic force microscopy. Appl. Phys. Lett. 88, 204102 (2006).
• 4. Majcher A., Mrozek M., Zbrowski A., Olejniczak W., Pawłowski S., Piskorski M.: Mikroskop STM/AFM do zastosowań badawczych w zaawansowanych technologiach w przemyśle oraz w dydaktyce szkół wyższych. Problemy Eksploatacji 3/2011, s. 177-188.
• 5. Stark M., Guckenberger R.: Fast low-cost phase detection setup for tapping-mode atomic force microscopy. Rev. Sci. Instr. 70, 3614 (1999).
• 6. Bodiguel H., Montes H., Fretigny C.: Depth sensing and dissipation in tapping mode atomic force microscopy. Rev. Sci. Instr. 75, 2529 (2004).
• 7. Sebastian A., Salapaka M., Chen D.J., Cleveland J.P.: Harmonic and power balance tools for tapping-mode atomic force microscope. J. Appl. Phys. 89, 6473 (2001).
• 8. Li H., Chen Y., Dai L.: Concentrated-mass cantilever enhances multiple harmonics in tapping-mode atomic force microscopy. Appl. Phys. Lett. 92, 151903 (2008).
• 9. Hillenbrand R., Stark M., Guckenberger R.: Higher-harmonics generation in tapping-mode atomic-force microscopy: Insights into the tip-sample interaction. Appl. Phys. Lett. 76, 3478 (2000).
• 10. Rodrıiguez T.R., Garcıia R.: Tip motion in amplitude modulation (tapping-mode) atomic-force microscopy: Comparison between continuous and point-mass models. Appl. Phys. Lett. 80, 1646 (2002).
• 11. Układ synchronicznej cyfrowej detekcji amplitudy i fazy składowych harmonicznych sygnału pochodzącego z sondy pomiarowej w dynamicznym mikroskopie sił atomowych. Zgłoszenie patentowe nr P.397845 (2012).
• 12. AD9446: 16-Bit, 80/105 MSPS Data Sheet (Rev 0, 11/2005). Analog Devices.
• 13. Marven C., Ewers G.: Zarys cyfrowego przetwarzania sygnałów. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1999.
• 14. Stranneby D.: Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Metody, algorytmy, zastosowania. Wyd. BTC, 2004.
• 15. http://www.xilinx.com/support/documentation/ip_documentation/cordic_ds249.pdf.
• 16. Sahin O., Atalar A.: Simulation of higher harmonics generation in tapping-mode atomic force microscopy, Appl. Phys. Lett. 79(26), 4455, 2001.
• 17. Stark R.W., Heckl W.M.: Higher harmonics imaging in tapping-mode atomic-force microscopy, Rev. Sci. Instr. 74(12), 2003.
• 18. Sahin O., Quate C.F., Solgaard O., Atalar A.: Resonant harmonic response in tapping-mode atomic force microscopy. Phys. Rev. B 69:165416, 2004.
• 19. Balantekin M., Atalar A.: Enhanced higher-harmonic imaging in tapping-mode atomic force microscopy. Apl. Phys. Lett. 87:243513, 2005.
• 20. 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 2:507-514, 2007.
• 21. Stark R.W.: Bistability, higher harmonics, and chaos in AFM. Mater Today 13:24-32, 2010.
• 22. 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 (1), 83-88, 2012.