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Ultimate Resolution of Atomic Force Microscopy

True Non-Contact AFM for the best AFM resolution available

팁과 샘플간의 거리가 매우 작을 때 비접촉 모드를 사용합니다. 심지어 팁과 샘플간의 상호작용 힘이 약간의 편차만 생기더라도 설정 값에 치명적일수가 있습니다. 그렇기 때문에 기존의 비접촉 모드는 해상도가 나쁘게 나오는 결과로 인해 팁을 샘플에서 좀 더 멀리 위치시켰습니다.

작은 팁과 샘플 분리와 비접촉 모드의 구현은 상당히 어려운 과제입니다. 하지만 파크시스템이 그 해결책이 되었습니다, 파크시스템의 AFM들은 기존의 존재하던 모든 AFM들의 해상도를 능가하는 비접촉 모드를 제공합니다. 심지어 접촉모드를 사용할 때에도 더 좋은 해상도를 제공합니다. 파크시스템의 AFM은 시료에 손상을 주지 않고 매우 높은 해상도의 영상을 제공하며 부드러운 생물 학적 샘플 이미징을 위한 최상의 선택입니다.("부드러운 생물학적 시료에 대한 완전 비 접촉 AFM" 참조)

초기의 원자현미경이 개발되고 그 후로 4년 뒤 부터 집중적인 제품 개발이 시작되었습니다.
파크시스템의 AFM은 AFM 기술의 모든 측면에서 돌파구를 나타냅니다. (자세한 내용은 "원자현미경의 교차간섭제거(XE)"를 참조하십시오). 파크시스템의 AFM은 처음이자 유일한 진정한 완전 비 접촉 모드를 실현하는 원자현미경(AFM)입니다.

이 새로운 기술은 기존에 없던 팁-샘플 거리를 달성합니다. 완전비접촉모드는 기존의 AFM 산업에서 볼 수 없던 궁극의 해상도와 측정 정확도를 보여줌과 동시에 최상의 팁과 샘플은 보존을 보장합니다.("What is the Ultimate Resolution of AFM?" 참조)

Non-Contact AFM: The Principle

비접촉 AFM 은 샘플의 표면 근처에서 진동하는 여러 진동 캔틸래버 기법중 하나입니다. 파크시스템의 AFM에서 NC-AFM모드의 팁과 샘플의 간격은 대략 수십에서 수백 옴스트롱 정도이다. 이 간격은 비접촉 지역으로 그림.1의 반데르 발스의 곡선에 표시되어 있습니다. 이 좁은 간격사이에는 원자핵들간의 척력(Fion)과 원자가전자와 이온핵간의 인력(Fel) 두가지 힘이 존재합니다. 탑침 팁 말단에 존재하는 원자와 샘플 표면에 존재하는 원자가 더 가까워지게 되면 척력의 힘이 지배적이 되고 그 힘은 성장거리로 인하여 변화한다.

접촉 AFM들은 표면의 지형을 측정할 때 이온핵들 사이에 존재하는 클롬상호작용 척력 시스템의 민간한 반응을 이용하며 측정하다. 파크시스템AFM의 비접촉AFM 모드는 표면의 지형을 측정 할 때 팁과 샘플 표면 사이의 비교적 큰 거리의 원자간의 인력을 이용하여 측정한다.

spm-true-non-contact-mode-afm-f1Figure 1. Interatomic force vs. distance

탐침 팁과 표면의 원자사이의 인력 때문에 , 샘플 표면 근처의 공진 주파수에서 캔틸레버 진동은 고유의 스프링 상수 (K0)에서 스프링 상수의 변화를 경험한다. 이는 유효 스프링 상수 (keff)라고하며, 다음 식을 따른다 :

keff = k0 - F’                  (1)   

인력이 작용 될 때 힘 그래프의 경사가 0보다 커지기 때문에 유효스프링상수(Keff)는 K0보다 작아진다. 따라서 팁과 시료사이의 상호 인력이 강해질수록 (다른 말로 팁과 시료가 가까워 질수록) keff 가 감소합니다. 이 방법은 교류 측정 방법이라고 불리우는데, 직류 방법을 사용했을 때보다 더 민감한 반응을 보여 더 좋은 결과를 얻을 수 있게 해줍니다. 또한 Magnetic Force Microscopy (MFM) 와 Dynamic Force Microscopy (DFM)등의 기술에 적용됩니다.

바이모르프(Bimorph)는 기계적으로 캔틸레버를 진동하는데 사용됩니다. bimorph의 구동 주파수는 캔틸레버의 자연 고유 진동 주파수 (F0)에 가까워지면, 공진이 일어날 것이고, 캔틸레버로 전송되는 진동은 매우 커집니다. 이 고유 주파수는 bimorph에 적용된 전압의 구동 주파수를 스캔하는 동안 캔틸레버의 진동 진폭을 측정하고 기록함으로써 검출 될 수 있습니다. 그림2 는 캔틸레버의 진폭과 진동 주파수 사이의 관계를 표시한다. 이 출력에서, 우리는 캔틸레버의 주파수를 확인할 수 있습니다.

파크시스템의 완전 비 접촉AFM에서 사용되는 단단한(생략가능?) 캔틸레버는 일반적으로 100kHz에서 400kHz 사이이며 약 수 나노미터의 진폭을 가지고 있는 상대적으로 높은 공진 주파수를 가진다. 이 AFM 시스템은 팁이 샘플 표면 근처에 올 때 공진 주파수의 변화 또는 진동 진폭을 검출합니다. 이 민감한 검출 방식은 접촉AFM과 함께 이미지에서 서브 옹스트롱 수직 해상도를 제공합니다.

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Figure 2. Resonant frequency of a cantilever

 

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Figure 3. Resonant frequency shift

 

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Figure 4. Resonant frequency shift

 

한편, 스프링 상수는 캔틸레버의 공진 주파수(f0)의 영향을 받고 스프링상수(k0)와 공진 주파수(f0)의 관계를 식으로 나타내면 식(2)로 나타낼수 있다.

spm-true-non-contact-mode-afm-f4-1(2)

식 (1)을 보면 인력의 힘으로 인해 keff는 k0보다 작아진다. 또한 그림 3을 보면 feff 도 f0보다 작아지는 것을 볼 수 있다. 만약 진폭 대 공간주파수를 나타내는 가파른 경사면이 관찰되는 그래프에서 캔틸레버를 주파수 f1(fo보다 약간 큰 정도)에서 진동 시킨다면, f0에서의 진폭 의 변화(ΔA)는 매우 커질 것이다. 심지어 고유주파수의 작은 변화에도 원자의 인력이 원인이 된다. 그러므로 f1에서 진폭의 변화를 측정할 때 탐침 팁과 표면 원자의 거리 변화(Δd)도 반영 시켜야 합니다.


만약 유효 공진 주파수(feff)가 변화한다면 그것은 표면의 원자와 탐침 사이의 상호작용 또는 주어진 주파수(f1)에서 진폭의 변화(ΔA)를 통해 측정 할 수 있습니다. 그림4에서 보이듯이 비접촉모드 피드백 루프는 팁과 샘플 표면 사이의 거리 변화를 보충할 것입니다. 일정한 진폭(A0) 와 거리(d0)를 유지 함 으로써 비접촉모드는 z-스캐너의 움직임을 통제하는 피드백 메카니즘을 이용하여 시료 표면의 지형을 측정 할 수 있습니다. 식(1)을 통해 힘의 기울기를 측정 할 수 있습니다.

 spm-true-non-contact-mode-afm-f5

Figure 5. 100nm 깊이의 트렌치를 XE-100의 비접촉 모드로 찍은 후 1:1 비율로 3D 이미지화. 고성능 z서보를 탑재한 XE시리즈 AFM의 비접촉 모드를 사용하면 트렌치의 높은 벽들도 정확하게 측정 가능.

 

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