W poniższej pracy opisano zasadę działania i konstrukcję skaningowego mikroskopu tunelowego przeznaczonego do badań nanostruktur grafenowych. Mikroskop ten pracuje pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze pokojowej. Omówiono podstawowe tryby pracy tego mikroskopu: do obrazowania powierzchni z atomową rozdzielczością oraz do obrazowania potencjałów powierzchniowych. Opisano poszczególne elementy, z których składa się system. W dalszej części pracy przedstawiono wyniki niektórych badań w których wykorzystano ten mikroskop – w badaniach wysoko zorientowanego grafitu pirolitycznego i grafenu na podłożu 6H-SiC. Przedstawiono również możliwości rozbudowy opracowanego systemu.
EN
In this paper we present principles and construction of scanning tunneling microscope designed for graphene nanostructures investigations. This microscope is working under ambient air in room temperature. Basic modes of this microscope were described: for atomic scale surface imaging and for imaging surface potentials. The main components of this system were shown. Some results obtained with use of this microscope were noted – highly oriented pyrolytic graphite and graphene on 6H-SiC substrate investigations. Additionally, the capabilities of the system improvement were pointed out.
2
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Mikromechaniczne czujniki rezonansowe są stosowane do pomiaru małej siły, masy i lepkości. Po odpowiedniej funkcjonalizacji powierzchni mogą być wykorzystywane jako czujniki biochemiczne do detekcji oddziaływań molekularnych. Występujący w tych układach szum jest najważniejszym czynnikiem ograniczającym czułość na zmiany mierzonej wielkości i rozdzielczość pomiaru. Szczególne znaczenie ma szum mechanicznych drgań termicznych, który może pełnić również istotną rolę w procesie pomiaru właściwości mechanicznych układu. W pracy przedstawiono modele matematyczne wybranych szumów występujących w układach rezonansowych, zwracając szczególną uwagę na szum termicznych drgań mechanicznych. Zaprezentowano układ pomiarowy do badania szumów mikrobelek sprężystych z piezorezystywnym detektorem ugięcia. Układ ten wykorzystano do pomiaru mechanicznych właściwości drgań termicznych mikrobelki wykonanej w Instytucie Technologii Elektronowej w Warszawie.
EN
Micromechanical resonant sensors are widely applied to measurements of low forces, masses and viscosity. After surface functionalization they might be used as biochemical sensors for intermolecular force detection. The noise existing in those devices is the main factor limiting the device sensitivity and the measurement resolution. Furthermore, the analysis of mechanical thermal noise of the microcantilever can play main role in a calibration process of sensor mechanical properties. In the paper the mathematical models for 1/f noise, Johnson-Nyquist noise and thermal oscillations noise in frequency domain are presented. The special attention is paid on mechanical thermal noise and its connections with mechanical properties of the system. It is shown that only thermal noise analysis is able to determine system spring constant and that the methods based on the system transmittance analysis fail due to inseparability of the system effective mass and the system spring constant or due to the lack of calibrated excitation source. The measurement system for investigation of noise in piezoresistive cantilevers is presented. The system was utilized for examination of piezoresistive microcantilever made at Warsaw Institute of Electron Technology. The power spectrum of the cantilever noise was estimated and the sensitivity of the piezoresistive bridge of the cantilever was measured. After that the analysis of obtained power spectra was performed. As a result the resonance frequency, the resonance quality factor, the cantilever mean thermal deflection and the cantilever spring constant were calculated. Obtained results confirm that system is able to detect a mean thermal deflection that is less than 1 angstrom.
W artykule przedstawiono zasadę działania oraz konstrukcję wzmacniacza fazoczułego typu lock-in mogącego pracować w trybie dwukanałowym bądź w trybie woltomierza wektorowego. Zaprezentowano zastosowanie opisywanego wzmacniacza w technice mikroskopii bliskich oddziaływań, gdzie obserwacja amplitudy oraz przesunięcia fazowego odpowiedzi sondy ma istotne znaczenie w wysokorozdzielczych badaniach lokalnych właściwości powierzchni preparatu.
EN
In this article design of the two-channel lock-in amplifier is presented. The presented device has implemented four DDS generators and two phase-sensitive detectors. Lock-in amplifier is controlled from PC computer via RS232 interface. This lock-in amplifier is applied in scanning probe microscopy techniques where amplitude and phase resolving is important in obtaining information about local surface properties.
Artykuł przedstawia konstrukcję i zastosowanie tanich i uniwersalnych sterowników dla systemów pomiarowych w mikroskopii bliskich oddziaływań. Głównym założeniem projektu jest minimalizacja kosztów budowy takiego systemu poprzez zastąpienie głównej jednostki sterującej, zbudowanej na procesorze sygnałowym, mikrokontrolerem jednoukładowym oraz logiką programowalną. Przedstawione zostaną algorytmy komunikacji między magistralą sterującą i komponentami systemu (karty ADC, DAC) oraz wyniki pomiarów.
EN
This paper shows a construction of universal and Iow cost control drivers for measure systems using in atomic force and scanning microscopy. Main point of this project is to minimize cost of this system and replace main central processing unit, expensive signal processor, by 8bits microcontroller and programmable logic device. l'd like to show algorithms describing Communications with PC, system components like Analog-Digital and Digital-Analog cards and present some measure effects.
W artykule zaprezentowano ośmiokanałowy system pomiarowy do badań matryc bioczujników. Jako biosensory zastosowano rezonatory kwarcowe w roli precyzyjnych mikrowag. System składał się z przedwzmacniaczy dla sygnałów odpowiedzi elektrycznej z rezonatorów oraz przetwornika wartości skutecznej sygnału przemiennego na sygnał stały. Tor sygnałowy układu pomiarowego był analogowy, natomiast jego parametry nastawiane były w sposób cyfrowy. W artykule przedstawiono wyniki wstępnych kalibracji systemu oraz testowe pomiary.
EN
In this article 8-channel measurement device for biosensors arrays is presented. Quartz tuning forks are used as precision mass-sensitive detector. Our measurement setup consisted of quartz tuning forks preamplifiers and RMS to OC converters. The signal path was fully analogue but with digitally controlled parameters (e.g. gain, offset). We also presented calibration procedure and preliminary results of different biomolecular masses detections.
Mikroskopia sił atomowych (AFM) [1] jest jedną z podstawowych metod badania powierzchni. Pomimo bardzo szerokiego zastosowania w pomiarach laboratoryjnych w dalszym ciągu nie jest wykorzystywana w przemyśle. Związane jest to przede wszystkim z ograniczeń w szybkości wykonywania pojedynczego pomiaru. Jednym ze sposobów przyspieszenia pomiarów AFM jest zastosowanie zamiast pojedynczej sondy pomiarowej matrycy mikrodźwigni [2]. Jednoczesny pomiar wieloma dźwigniami pozwoli na relatywne skrócenie czasu pomiaru. Rozwiązanie takie pozwoli zachować wszystkie zalety pomiarów AFM jednocześnie umożliwiając wykonać pomiar powierzchni o rozmiarach nawet 10x10 mm². W pracy zaprezentowana zostanie dźwignia o zupełnie nowej konstrukcji, przeznaczona do zastosowań wielodźwigniowych. Prezentowana sonda pomiarowa przeznaczona jest do pracy w technice rezonansowej tapping-mode. Do przeprowadzenia eksperymentów konieczne było zbudowanie stanowiska pomiarowego. W pracy zaprezentowane zostanie stanowisko do pomiaru za pomocą matrycy 32 dźwigni. Wynikiem przeprowadzonych eksperymentów jest pomiar topografii powierzchni. W artykule przedstawiony zostanie obraz topografii struktury testowej wykonany 4 dźwigniami jednocześnie.
EN
Atomic force microscopy (AFM) is one of basic surface measurements methods. It is a uniquely powerful tool for analysis and modification of surface but this method is not used in technological application yet. Current AFM methods are limited to single probes with very slow processing rates and very small scan area. One of the speed-up methods of AFM measurement is the replacement of single a cantilevers by cantilever array [2]. A measurement taken by several probes simultaneously will significantly speed up the measurement process. The proposed solution allow to make a huge area scan (up to 10 x 10 mm²) and will keep all unique abilities of AFM method. In this article, we present new AFM cantilever (PRONANO) for multiprobe application. The new probe has integrated a thermal band actuator and a piezoresistive deflection detector. In this paper, we present an experimental system for topography measurement by 31 cantilevers. This home made multiprobe AFM microscope is designated for measurement in dynamic contact mode (tapping-mode). In this article, there are presented surface measurements made by 4 cantilevers simultaneously.
W artykule przedstawiono budowę i zasadę działania modułu do akwizycji danych wykorzystującego oprogramowanie oparte na systemie czasu rzeczywistego. Zaletą takiego rozwiązania jest ograniczony od góry czas odpowiedzi na zdarzenie zewnętrzne, a także łatwość tworzenia oprogramowania. Moduł pozwala na sterowanie dowolnymi urządzeniami, które wykorzystują standard USART.
EN
Design and operation principles of a module for data acquisition with real-time operating system are described in the paper. Main advantages of such a solution are limited response time for external event and simplified source cod e developing. This module allows to control any device that uses USART communication standard.
Unikalne właściwości mechaniczne i wysoki stosunek powierzchni do objętości mikrodźwigni sprężystych czynią je bardzo dobrymi czujnikami masy i siły. W połączeniu z chemiczną funkcjonalizacją powierzchni umożliwiają one obserwację zjawisk fizycznych i chemicznych zachodzących w skali molekularnej. Na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki PWr skonstruowano głowicę pomiarową z natężeniowym układem detekcji ugięcia oraz cieczowo-gazową komórkę pomiarową o objętości roboczej próbki rzędu 100 µl. Opracowano oprogramowanie do akwizycji i obróbki danych pomiarowych. Przeprowadzono eksperymenty z funkcjonalizacją powierzchni dźwigni tiolami kwasu 11-merkaptoundekanowego i wiązaniem jonów metali alkalicznych. Obserwowano zmianę parametrów rezonansowych dźwigni, świadczącą o adsorpcji masy i indukowaniu naprężeń powierzchniowych przez powstającą samoorganizującą się monowarstwę sensorową a następnie przez wiązane jony. Opracowano metodę monitorowania w czasie rzeczywistym procesu tworzenia monowarstwy receptorowej i wiązania kationów poprzez obserwację statycznego ugięcia mikrodźwigni w środowisku cieczowym. Wyniki przeprowadzonych badań świadczą o dużej czułości (obserwowane zmiany masy rzędu pikogramów) i szybkości reakcji (minuty) czujników oraz o przydatności proponowanej metody w diagnostyce chemicznej. Stanowią wstęp do dalszych prac nad detekcją substancji o znaczeniu biologicznym.
EN
Unique mechanical properties and high surface area to volume ratio of cantilevers make them highly valuable mass and force sensors. Combined with chemical surface functionalization they facilitate investigation of molecular scale physical and chemical phenomena. At the Faculty of Microsystems Electronics and Photonics of Wrocław University of Technology a measurement head with optical deflection detection setup and a 100-µl liquid/gas microcell have been constructed. Measurement and acquisition software has been developed Experiments were conducted on microcantilever's surface functionalization with 11-mercaptoundecanoic acid thiols and on alkaline ions capture. Change of resonance parameters of the microcantilever was observed suggesting mass adsorption and surface stress induced by growing sensing self-assembled monolayer and subsequently bycations capture. A method for real-time monitoring of sensing monolayer and cation capture by observation of static bending of a cantilever in liguid environment has been developed. Experimental results indicate high sensitivity (observed mass change on the order of picograms) and rapid response (minutes) of microcantilever sensors and applicability of proposed method in chemical diagnostics. They constitute an introduction to further studies on detection of biologically important substances.
W artykule została przedstawiona konstrukcja i zasada działania wielokanałowego cyfrowego regulatora PID skonstruowanego dla mikroskopu sił atomowych korzystającego z matrycy sond pomiarowych. Nasze rozwiązanie zostało zrealizowane w oparciu o układ FPGA. Dzięki temu uzyskano zwartą konstrukcję, jednak pozwalającą na elastyczną zmianę parametrów regulatorów PID oraz ilości kanałów.
EN
In this article a digital multichannel PID controller for atomic force microscope with an array of probes is presented. Our design is based on FPGA. In this case, we developed compact device but it allows to modify PlD controllers parameters and amout of channels.
10
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W artykule przedstawiona została zasada działania oraz konstrukcja mikroprocesorowego miernika impedancji charakteryzującego się szerokim zakresem mierzonej impedancji od 1 k[om] do 10 M[om] oraz stosunkowo szerokim pasmem pomiarowym od 1 kHz do 100 kHz. Zwarta budowa, niewielkie rozmiary oraz niska cena prezentowanego urządzenia sprawiają, że w mniej precyzyjnych pomiarach stanowi alternatywę dla drogich, komercyjnych rozwiązań tego typu.
EN
In this article theory of operation and design of a microprocessor electrical impedance measurement device is presented. It features broad input impedance range from 1 k[om] to 10 M[om] and relatively wide measurement bandwidth from 1 kHz to 100 kHz. Compact design, small dimensions and low price are its advantages and make an alternative choice to expensive commercial equipment.
Badania zjawisk tarcia, ścierania, poślizgu czy zużycia trybologiczne-go w nanoskali mogą być z powodzeniem przeprowadzane za pomocą mikroskopu sit atomowych (ang. Atomie Force Microscope-AFM) z optyczną detekcją ugięcia belki pomiarowej, która pełni rolę optycznego czujnika sit tarcia. Uzyskanie informacji ilościowych wymaga jednak uprzedniego zastosowania procedury kalibracyjnej pozwalającej na konwersje danych pomiarowych na dane o znaczeniu fizycznym. W niniejszej pracy zaprezentujemy wyniki skalowania mikroskopu sił atomowych metodą odwzorowania pochylenia wzorcowego (ang. Wedge Calibration Method [1]) z wykorzystaniem struktury firmy MikroMasch (TGF11) i struktury wykonanej za pomocą skupionej wiązki jonów (ang. Focused Ion Beam-FIB).
EN
Mechanisms of friction, adhesion, lubrication and wear in nanoscale : can be successfully investigated by means of atomic force microscope (AFM) using optical beam deflection sensing. However, to obtain quantitative information the calibration procedure for conversion of measured data to friction forces has to be applied. In order to calibrate our atomic force microscope we applied direct procedure called wedge calibration method [1]. The results of friction force calibration using commercially available grating (TGF11) and dedicated specimen fabricated by focused ion beam (FIB) milling are presented in this paper. We show experimental results for nanotribology on silicon of two different crystallographic orientation, mica and HOPG as well.
Scanning probe microscopy enables high resolution surface characterization. Therefore it is a perfect tool for imaging samples on a nanometer scale. An instrument dedicated for high accuracy measurements has to deliver not only qualitative but also quantitative information. Thus applying precise calibration techniques for an atomic force microscope is crucial for credible nanostructures analysis. In this paper we present the results of a tube scanner characterization. We describe relationship between a piezoactuator behaviour and a sample mass. We also analyze errors resulting from bend motion of the piezoscanner and show influence of a sample thickness on the distortion of atomic force microscope data.
PL
Mikroskopia bliskich oddziaływań umożliwia badanie ukształtowania i właściwości powierzchni w skali subnanometrowej. Tak precyzyjne pomiary wymagają jednak szczegółowego skalowania urządzenia w celu uzyskania wiarygodnych wyników, dostarczających nie tylko jakościowych ale również ilościowych informacji. W pracy przedstawimy wyniki charakteryzacji piezoaktuatora odpowiedzialnego za przesuw struktury podczas procesu skanowania. Zaprezentujemy jak zależy wychylenie typowego piezoaktuatora od masy poruszanej próbki. Wskażemy również wpływ wysokości badanej struktury na zniekształcenia obrazu związane z tzw. błędami Abbego, które wynikają z przesuwu struktury po powierzchni sfery wyznaczonej przez poruszający się piezoaktuator.
13
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
In modern microelectronics progress has been made towards low power ultra large-scale integration (ULSI), and nano-structure devices such as single electron transistors and quantum dots. In this technology application of new materials, which includes high-k dielectrics for the MOSFET transistors, with extraordinary purity and uniformity is required. Failure analysis and reliability investigations of such films very often requires high-resolution local measurements of electrical surface parameters. This kind of experiments can be performed using conductive atomic force microscopy, which provides simultaneous measurement of surface topography and current flowing through the investigated layer. In order to acquire reliable data, there was designed a precise measurement and control system, which included a low-noise current-to-voltage converter of picoampere resolution, a scanning stage with control electronics and a data acquisition system. In the paper we describe the architecture of the de-signed and applied experimental set-up. We also present results of simultaneous measurements of topography and current on gold and highly oriented pyrolytic graphite (HOPG).
Podstawowym problemem metrologicznym mikroskopii sił atomowych jest pomiar oddziaływań dynamicznych występujących między mikroostrzem a powierzchnią. W praktyce laboratoryjnej stosowane są zwykle układy natężeniowych detektorów laserowych, które umożliwiają jedynie detekcję (rozumianą w sensie jakościowej oceny ugięcia dźwigni). W laboratorium mikroskopii bliskich oddziaływań, nanostruktur i nanomiernictwa Wydziału Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki opracowaliśmy światłowodowy interferometr pracujący w konfiguracji Fabry-Perota, za pomocą którego jesteśmy w stanie przeprowadzić pomiary właściwości metrologicznych układów piezoelektrycznych stosowanych w mikroskopii bliskich oddziaływań oraz dokonać skalowania czujników bliskiego pola ze zintegrowanymi detektorami wychylenia końcówki. Przedmiotem naszych prac była analiza właściwości piezoelektrycznych rezonatorów kwarcowych i elektrostatycznych aktuatorów wychylenia. Prezentowane przez nas metody i techniki pomiarowe pozwalają na pomiar ugięcia (wychylenia) dźwigni kamertonu piezoelektrycznego z rozdzielczością 0,1 nm w paśmie 1 kHz w zakresie częstotliwości do 100 kHz.
EN
One of the fundamental metrological issues in scanning probe microscopy is the measurement of nearfield interactions between the microprobe and the surface. In most experiments the detection of the cantilever deflection is performed using so called Position Sensitive Detectors. In this setup the measurements of forces acting at the microtip require additional tedious and very time consuming calibration. Therefore in the laboratory of scanning probe microscopy, nanostructure and nanometrology at the Faculty of Microsystem Electronics and Photonics of the Wroclaw University of Technology we developed fiber optical Fabry-Perot inteferometer which can be used to determine the metrological parameters of the nearfield sensors. In this work we will present the results of piezoelectrical tuning fork measurements, which enable deflection detection of the tuning fork prongs with the resolution of 0,1 nm in the bandwidth of 1 kHz in the frequency range up to 100 kHz. We will also report in the calibration of the microsystem electrostatic deflection actuator, which can be used to maintain the distance between the microprobe and sample.
Ciągły rozwój technologii półprzewodnikowej powoduje wzrost skali integracji, szybkości działania układów elektronicznych oraz zmniejszenie pobieranej przez nie mocy. Obecny stan technologii opiera się głównie na technice fotolitografii i osiąga kres swoich możliwości zmniejszania charakterystycznych wymiarów przyrządów półprzewodnikowych. Przewiduje się, że fotolitografia nie zapewni tworzenia przyrządów półprzewodnikowych o rozmiarach charakterystycznych mniejszych od 30 nm. Zastosowanie mikroskopii sił atomowych do lokalnej anodyzacji powierzchni otwiera nowe perspektywy wykonywania wzorów o wymiarach mniejszych od 30 nm. Zaletą tej techniki jest możliwość zarówno wytwarzania, jak i jednoczesnej diagnostyki wygenerowanych wzorów. Przedstawiono wyniki eksperymentów prowadzonych w laboratorium mikroskopii bliskich oddziaływań, nanostruktur i nanomiernictwa WEMiF z Politechniki Wrocławskiej.
EN
Rapid progress in semiconductor technology leads to greater scale of integration, improved speed and a reduced amount of the needed power of the electronic devices. At the present time mainly photolithography tools are used for developing electronic devices. Now the tools are working on the edge of the performance. Scanning probe microscopy is one of the methods which may be applied not only to surface visualization but also to modification. In this paper we describe local anodization process, which may be applied to create patterns on semiconductor and metallic surfaces. Control software of the atomic force microscope transfers designed patterns on the surface. We will present our research conducted in Laboratory of scanning probe microscopy, nanostructures and nanometrology in the Faculty of Microsystems Electronics and Photonics at Wroclaw University of Technology.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.