AFM, Shear Force Microscopy

1. Politechnika Wrocławska, Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Zakad Metrologii Mikro- i Nanostruktur e-mail: daniel.kopiec@pwr.edu.pl
Streszczenie
Mikroskopia sił ścinających ShFM
Siła Lorentza, piezorezystywna detekcja drgań
Daniel Kopiec1
, Andrzej Sierakowski2
, Maciej Rudek1
, Piotr Kunicki1
,Wojciech Majstrzyk1
,
Paweł Janus2
, Piotr Grabiec2
, Iwo W. Rangelow3
, Teodor Gotszalk1
Mikroskopia sił ścinających z wykorzystaniem dźwigni
mikromechanicznych aktuowanych siłą Lorentza
Mikroskopia sił ścinających (ang. Shear Force Microscopy - ShFM) należy do grupy technik bezkontaktowych, nieniszczących mikroskopii
bliskich oddziaływań. W technice tej dźwignię wprowadza się w drgania rezonansowe i obserwuje się zmiany parametrów drgań, takich jak
amplituda drgań, częstotliwość rezonansowa oraz przesunięcie fazowe między sygnałem pobudzającycm a sygnałem odpowiedzi. Najczęściej
w tego typu systemach wykorzystuje się dźwignie mikromechanicze pobudzane za pomocą dodatkowych układów piezoelektrycznych lub za
pomocą aktuatorów termicznych integrowanych w strukturze. W prezentowanej metodzie autorzy jako pierwsi zastosowali dźwignię
mikromechaniczną z piezorezystywnym detektorem ugięcia oraz zintegrowanym aktuatorem wychylenia w postaci pętli prądowej aktuowanej
siłą Lorentza. Tego typu układy mikromechaniczne charakteryzują się przede wszystkim czystością widma drgań w przeciwieństwie do układów
pobudzanych mechanicznie. Liniowy związek miedzy polem magnetycznym a prądem płynącym w pętli aktuatora łatwo pozwala redukować moc
rozpraszaną w strukturze. Zintegrowany detektor ugięcia oraz aktuator wychylenia umożliwiają tworzenie prostych i kompaktowych systemów
pomiarowych.
FL – siła Lorentza, i – prąd płynący w pętli aktuatora,
B – pole magnetyczne, l – długość „aktywnego” odcinka
aktuatora, α – kąt między wektorem pola magnetycznego
a wektorem prądu
Parametry układów aktuowanych siłą Lorentza
Prace są częściowo finansowane w ramach programu TEAM - “High-resolution force and mass metrology using actuated MEMS/
NEMS devices – FoMaMet” (Grant Nr TEAM/2012-9/3) organizowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej,
współfinansowanego przez Europejski Fundusz Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna
Gospodarka oraz w ramach grantu nr 4/2013 z programu Mistrz Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Struktury mikromechaniczne
aktuowane elektromagnetycznie wytworzono w ramach projektu NCN EmagTool
1
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej, ul. Janiszewskiego 11/17, 50-372 Wrocław
2
Instytut Technologii Elektronowej, ul. Al. Lotników 32/46, 02-668 Warszawa
3
Uniwersytet Techniczny w Ilmenau, Transferstelle, Ehrenbergstraße 11, 98693 Ilmenau, Niemcy
Pomiary powierzchni w trybie ShFM
F
bd
Ul
U
R
R
U
c
F 2
122 ξ
=
∆
=
• Tryb kontaktowy (statyczny)
• Tryb rezonansowy, przerywany
pętla aktuatora
piezorezystywny
detektor ugięcia
l
•Aktuacja drgań siłą Lorentza •Detekcja piezorezystywna
UF – napięcie na wyjściu przekątnej mostka wywołane
działaniem siły, ∆R/R – zmiana rezystancji pod wpływam
działania naprężeń, b – grubość belki, lc – długość
dźwigni mikromechanicznej, d – szerokość belki F – siła
działająca na koniec dźwigni, UF – napięcie zasilania
przękątną, ξ – współczynnik piezorezystywny dla krzemu
αsin⋅⋅⋅=×= BlIBlIFel
Źródła pola magnetycznego
Sposób montażu magnesu NdFeB jako źródła
pola magnetycznego struktur aktuowanych siłą
Lorentza
• Macierz Halbacha - źródło jednorodnego pola
magnetycznego o wartości przekraczającej
300 mT, ze względu na swoje rozmiary możliwa
integracja w systemie pomiarowym,
• Magnes NdFeB – źródło niejednorodnego pola
magnetycznego, wartość pola do 700 mT
Amplituda drgań oraz przesunięcie fazowe sygnału dźwigni mikromechanicznej aktuowanej za pomocą siły Lorentza oraz zewnętrznego aktuatora
piezoelektrycznego. Widmo drgań sondy pobudzanej za pomocą siły Lorentza, jest widmem wolnym od artefaktów.
W przypadku drgań wymuszanych zewnętrznym piezoaktuatorem błędnie można interpretować wyższą czułość układu dla drugiego modu drgań
rezonansowych.
Czułość aktuacji dźwigni mikromechanicznej w zależności od wartości
prądu w pętli aktuatora oraz wartości pola magnetycznego
Wzmocnienie amplitudy drgań rezonansowych dźwigni
mikromechanicznej w wyniku wzrostu wartości prądu pętli
aktuatora w stałym polu magnetycznym
Podstawowe techniki mikroskopii sił atomowych. Podział technik ze względu
na zasięg dominujących oddziaływań w układzie sonda-powierzchnia.
• Tryb sił ścinających ShFM
30µm
30 µm80 µm
80µm
250 nm
Schemat blokowy mikroskopu AFM działającego w trybie
pomiaru sił ścinających ShFM.
Zmodyfikowane za pomocą zogniskowanej wiązki jonów (FIB) ostrza dźwigni
wykorzystywanych w pomiarach powierzchni w trybie ShFM
Kompaktowa głowica pomiarowa stosowana
w pomiarach ShFM.
- przedwzmacniacz oraz wzmacniacz
sygnałów z detektora ugięcia,
- filtr dolnoprzepustowy,
- źródło prądowe,
- zasilanie mostka
a) b) c)
Macierz Halbacha, rozkład pola magnetycznego wewnątrz macierzy
2 µm
2µm
d)
Obrazy powierzchni uzyskane w trybie ShFM, a-b) topografia powierzchni struktur krzemowych, c) struktura kalibracyjna TGQ1 o wysokości
20 nm, d) powierzchnia grafitu HOPG
System do pomiaru powierzchni w trybie ShFM, b) belka pomiarowa zintegrowana
ze skanerem piezoelektrycznym, c) system do pomiaru w dużych polach
b)
c)
a)
Symulacja zachowania dźwigni mikromechanicznej ze
zintegrowanym aktuatorem ugięcia w zewnętrznym polu
magnetycznym