تحليل برهمكنش گذراي نمونه- سوزن در ميكروسكوپ نيروي اتمي پرسرعت ضربه اي به منظور جلوگيري از آسيب نمونه هاي نرم

Analysis of Transient Tip-Sample Interactions in High Speed Tapping Mode Atomic Force Microscopy with the Purpose of Damage Prevention

ميكروسكوپ نيروي اتمي پرسرعت (HS-AFM) به دليل دقت بالا و قابليت تصويربرداري سه بعدي يكي از پركاربردترين تكنيك هاي مورد استفاده در فناوري نانو است. علي رغم مزيت ها و غيرمخرب شناخته شدن اين تكنيك، اگر ماكزيمم نيروي دافعه برهمكنش بيشتر از تنش شكست نمونه يا سوزن باشد آسيب نمونه يا سوزن محتمل خواهد بود. تاكنون مطالعات زيادي در مورد نيروهاي دافعه در حالت ضربه اي انجام شده اما اكثرا در حالت پايدار بوده است. براي مواد نرم و در حالت گذرا هنگامي كه سوزن ناگهان با يك پله رو به بالا مواجه مي شود نيروي دافعه مي تواند از حالت پايدار بيشتر بوده و در نتيجه باعث ايجاد آسيب به نمونه شود. بنابراين اگر مقادير پارامترها به طور مناسب انتخاب نشود تنش نمونه- سوزن ممكن است از تنش تسليم نمونه تجاوز كند. در اين مقاله ماكزيمم نيروي برهمكنش گذرا در دو بازه زماني جاذبه و دافعه با يكديگر مقايسه و تحليل اثر پارامترهاي مهم اسكن روي ماكزيمم تنش گذراي مواد نرم در ميكروسكوپ نيروي اتمي پرسرعت در شرايط گذرا به صورت تئوري انجام شده و نمودارهاي دقت جانبي و سرعت اسكن نيز ارايه شده كه از نوآوري هاي اين تحقيق است به طوري كه در ميكروسكوپ پرسرعت نمونه هاي نرم با مدول الاستيسيته در محدوده 2گيگاپاسكال به منظور پيشگيري از آسيب نمونه، استفاده از سفتي فنر در رنج 1-0/1نيوتون بر متر، دامنه آزاد 100-60نانومتر، نسبت دامنه 0/9-0/8، فاكتور كيفيت 100-50، شعاع سوزن 40-10نانومتر و سرعت اسكن 0/3-0/1ميلي متر بر ثانيه نسبت به رزولوشن مورد نظر توصيه مي شود تا فرآيند اسكن به صورت ايمن و با نتايج دقيق انجام شود.

High speed atomic force microscopy (HS-AFM) is one of the widely used techniques in nanotechnology applications due to high resolution and the ability of 3D imaging. Despite its advantages and although it is known as a nondestructive technique, tip or sample damage can occur if maximum repulsive force is higher than the failure stress of the sample or tip, as a result of tip-sample interactions. Several studies in understanding the peak repulsive forces in tapping mode AFM have been carried out, but mostly in steady state situations. In transient situation when tip encounters a sudden steep upward step, the repulsive force can be much higher than that in the steady state situation and, consequently, damage could happen. Therefore, if appropriate parameters’ values are not tuned, the tip-sample stress may exceed yield stress of the tip or the sample. This paper presents the comparison of maximum transient interaction forces in time periods of net attractive and repulsive forces and the effects of important scanning parameters on maximum transient stress of compliant samples with the elastic modulus in the range of 2GPa together with lateral resolution and scanning speed diagrams, using theoretical analysis as a novelty of this paper, so that selecting cantilever stiffness in the range of 0.1-1N/m, free air amplitude 60-100nm, amplitude ratio 0.8-0.9, quality factor 50-100, tip radius 10-40 nm, and scanning speed 0.1-0.3mm/s relative to required lateral resolution indeed leads to safe high speed microscopy.