Non-Contact Atomic Force Microscopy (NC-AFM)

Die kontaktlose Rasterkraftmikroskopie (NC-AFM), auch bekannt als dynamische Rasterkraftmikroskopie (DFM), ist der AFM-Modus, der historisch gesehen die höchste räumliche Auflösung erreicht, bis hinunter in den subatomaren Bereich. Die meisten NC-AFM-Anwendungen werden im Ultrahochvakuum (UHV) und/oder in einer Niedrigtemperaturumgebung durchgeführt, um von der hohen Empfindlichkeit des Q-Faktors zu profitieren; dies ist besonders relevant, wenn es um Kräfte im Nahbereich oder die Abbildung auf atomarer Skala geht. Die Verfolgung der Resonanzfrequenz ermöglicht eine schnellere Reaktion im Vergleich zu Open-Loop-Techniken unter ähnlichen Bedingungen und bringt den zusätzlichen Vorteil der Resonanzverstärkung mit sich.

Aus Sicht der Instrumentierung müssen drei Aspekte berücksichtigt werden, um die besten Ergebnisse mit NC-AFM zu erreichen:

Die grösste Phasensteilheit in Resonanz ist direkt mit der höchsten Empfindlichkeit verbunden.

Der NC-AFM-Betrieb funktioniert am besten mit High-Q-Resonatoren (z. B. Quarz- oder MEMS-basierte Sensoren) oder in einer Vakuumumgebung, die intrinsische Verluste begrenzt.

Exzellente Servoschleifen-Elektronik beschleunigt die Relaxierung.

High-Q bedeutet eine kleine natürliche Bandbreite des Resonators (proportional zu f/2Q). Um eine angemessene Verweilzeit pro Pixel zu erreichen, bietet eine optimierte Phasenregelschleife (PLL) den besten Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Auflösung. Dies unterscheidet sich von Tapping-Mode- oder AM-AFM-Techniken, bei denen die Phase frei variieren kann und die Amplitude sich über längere Zeitskalen einpendeln kann.

Die Linearisierung des Systems ermöglicht den Zugang zu quantitativen, genauen Messungen.

Phase und Amplitude können gleichzeitig verfolgt werden, um zusätzliche Informationen über Dissipationsprozesse zu erhalten. Die sorgfältige Nachführung der Resonanz stellt sicher, dass die Amplitudenmessungen immer genau in Resonanz durchgeführt werden, wodurch eine maximale Reaktion und eine konstante Verstärkung für die quantitative Analyse gewährleistet werden.

NC-AFM wird oft auch als frequenzmoduliertes AFM (FM-AFM) bezeichnet, da die Resonanzfrequenz durch die Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe verstimmt wird. Diese Verschiebung der Resonanzfrequenz wird mit Hilfe eines Phasenregelkreises (PLL) gemessen und nachgeführt, während ein Automatic Gain Controller (AGC) die Amplitude konstant hält.

Die oszillierende Bewegung der Spitze spiegelt die Faltung der kleinen Spitze-Probe-Wechselwirkung mit einem robusten und stabilen Resonator wider: Da sich die statischen Beiträge im dynamischen Modus aufheben, ist die physikalisch gemessene Grösse der Kraftgradient, der direkt mit der Frequenzverschiebung der Resonanz zusammenhängt. Die Amplitude und Phase dieser Schwingungsbewegung kann mit einer Lock-in-Messmethode gemessen und in zwei verschiedene PID-Schleifen eingespeist werden. In NC-AFM arbeiten PLL und AGC zusammen, indem sie auf die Anregungsfrequenz des Oszillators und den Ausgang der Erregerspannung einwirken, die zu einem Anregungssignal (d. h. einem physikalischen Signalausgang) für den mechanischen Resonator führen, wie in der Abbildung dargestellt. Die gleiche Methode kann auf optomechanische Resonatoren und auf mikro-/nano-elektromechanische Systeme (MEMS/NEMS) angewendet werden.

Das Ziel der PLL und der AGC ist es, das Steuersignal in der Phase zu fixieren und gleichzeitig die Schwingungsamplitude auf ihrem Resonanzwert zu halten. Dies trennt energieerhaltende und dissipative Prozesse und gewährleistet quantitative Messergebnisse. Die PLL/PID-Option - verfügbar für die Lock-in-Verstärker MFLI, UHFLI und HF2LI - ermöglicht die Optimierung einer oder mehrerer Rückkopplungsschleifen dank Simulationswerkzeugen, die P-, I- und D-Werte für eine bestimmte Zielschleifenbandbreite bestimmen. Der PID-Advisor in der LabOne-Steuerungssoftware stützt sich auf quantitative Modelle der Transferfunktion des Prüflings.

Während der Abtastung können alle intern verfügbaren Signale wie Phase, Amplitude, Frequenz und Erregerspannung auf analoge BNC Ausgänge ausgegeben oder mit dem LabOne-Datenerfassungsmodul (DAQ) oder einer der LabOne-APIs digital aufgezeichnet werden. Die Daten können zu einem Bild zusammengefügt werden, vorausgesetzt, dass ein End-of-Line-Trigger (EOL) oder eine Fast-Scan-Achse als Triggersignal in das Gerät eingespeist wird. Es können dann mehrere Bilder auf einmal aufgenommen werden, auch über mehrere Eigenmoden oder Harmonische.