Multi-Eigenmode Control for Improved Tracking Speed in Multifrequency Atomic Force Microscopy

Schuh, Andreas GND

Die Sensoren von Rasterkraftmikroskopen sind mechanische Schwinger, die zur zeitgleichen Aufnahmevon Topographie und Materialeigenschaften genutzt werden können. Besonders wichtig sinddie Bildrastergeschwindigkeit und Kraftsensitivität, die oft einen Kompromiss benötigen. In dieserArbeit wird ein neuartiger Multi-Eigenmode Kompensator basierend auf einem Zustandsschätzervorgestellt, der die dynamischen Eigenschaften jeder Cantilever-Resonanz unabhängig voneinandermodifizieren kann. Dargelegt wird die Modellierung, Kompensator-Design und Implementierungsstrategiein ein digitales System. Als Erstes wird der Kompensator zur Modifikation desQ Faktors einzelner Eigenmoden genutzt. Somit kann die Abbildungsrate um das 20-fache erhöhtwerden. Die Modifikation der natürlichen Frequenz erlaubt die Abbildung von Proben mitvollständig verschobenen Resonanzen. Moderne Mehrfachfrequenz-Abbildungsverfahren nutzenhöheren Eigenmoden, um bessere Abbildungsraten und Materialsensitivitäten zu erreichen. Beieiner Methode werden die angeregten höheren Harmonischen extrahiert, die beim Rastern einerOberfläche im Fourier-Spektrum entstehen. Eine andere Methode regt die erste und höhere Eigenmodengleichzeitig an. In Experimenten wird der Kompensator in Kombination mit beiden Abbildungsverfahrengenutzt, um speziell den Q Faktor der ersten beiden transversalen Eigenmoden gleichzeitigzu beeinflussen. Experimente zeigen, dass beste Abbildungsraten und Materialkontrastemit geringen Q Faktoren in der ersten und hohen Q Faktoren in der zweiten Eigenmode erreichtwerden. Eine Erweiterung des Kompensators erlaubt die Hochgeschwindigkeits-Demodulationvon Cantilever-Amplituden ohne Einsatz eines Lock-in Verstärkers, was anhand von Abbildungenmit der ersten Eigenmode gezeigt wird. Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung des Materialkontrastesbasiert auf der strukturellen Modifikation des Cantilevers. Mit Hilfe einer Ionenfeinstrahlanlagewird Material an bestimmten Bereichen des Cantilevers entfernt, so dass die erste undhöheren Eigenmoden aufeinander abgestimmt werden. Die Bestimmung von Form und Ort derMaterialentfernung wird entweder durch Simulationen im Voraus oder mit einem in situ Ansatzerreicht. Die extrahierten höheren harmonischen Signale des harmonischen Cantilevers zeigen eindeutlich verstärktes Signal von bis zu 10 % im Vergleich zur ersten Resonanz.

Atomic Force Microscope probes are mechanical beams that can be used to simultaneously maptopography and material properties. In particular the imaging speed and force sensitivity aremajor concerns that often require a trade-off approach. In this work, a novel estimator basedmulti-eigenmode compensator is introduced to modify the dynamics of each resonance independently.Modeling, compensator design, implementation strategy in a digital system and validationin experiments will be presented. A single-eigenmode version of the compensator is used to modifythe Q factor of the first three eigenmodes separately. Using higher eigenmodes in combinationwith a modified Q factor leads to a 20-fold increase in image acquisition rates. The modificationof the natural frequency (F control) allows imaging at resonance frequencies that are not naturalto the cantilever. The emerging multifrequency Atomic Force Microscopy utilizes higher eigenmodesto improve imaging speed and force sensitivity concurrently. One method actuates the firsteigenmode for topography imaging and records the excited higher harmonics to map a sample’snanomechanical properties. To enhance the higher frequencies’ response two or more eigenmodesare actuated simultaneously, where the higher eigenmodes are used to quantify the nanomechanics.In experiments, the compensator is used to specifically modify the Q factors of the cantilever’sfirst two transversal eigenmodes concurrently in both imaging schemes. The experiments indicatemost enhanced material contrast and imaging rate with low Q factors in the first eigenmode andhigh Q factors in the higher eigenmode. An extension of the compensator allows for a high speedLock-in amplifier free amplitude demodulation, which is used for topography imaging with the firstresonance. A different technique for improving material property sensitivity is presented basedon structural modifications of the cantilever. Focused Ion Beam milling is used to remove massfrom specific areas in the cantilever such that the first and higher eigenmodes are tuned towardseach other. The shape and location of mass removal is determined either by simulation beforehandor through an in-situ approach. Higher harmonics of the harmonic active cantilevers indicate asignificant response of up to 10% in respect to the first resonance/harmonic.

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Schuh, Andreas: Multi-Eigenmode Control for Improved Tracking Speed in Multifrequency Atomic Force Microscopy. 2015.

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