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原子間力顕微鏡の究極の分解能

最高のAFM分解能を実現する真のノンコンタクトAFM

チップとサンプルの距離が非常に狭いノンコンタクトモードを使用する場合、チップとサンプルの相互作用力が設定値からわずかにずれていても致命的な影響を与える可能性があります。そのため、従来のノンコンタクトモードでは、チップをサンプルの表面から遠ざける必要がありますが、距離が遠くなることから分解能が低下してしまいます。

ノンコンタクトモードで小さなチップとサンプルの分離することは非常に困難な作業ですが、パーク・システムズはこの難題を解決します。ParkのAFMシステムはすべて、ノンコンタクトモードを備えており、コンタクトモードを使用しているシステムであっても、これまでのAFMの分解能を上回っています。ParkのAFMはサンプルにダメージを与えることなく、高解像度イメージングを実現できるため、ソフト生体サンプルのイメージングにも最適です。(詳細につきましては、「ソフト生体サンプルにおける真のノンコンタクト™モード」をご参照ください。)

4年にわたる集中的な製品開発の後、原子間力顕微鏡 (AFM) 技術の先駆者によって開発されたParkのAFMは、AFM技術のあらゆる側面において革新的な躍進を果たしています。(詳細につきましては、「クロストーク除去(XE)原子間力顕微鏡の開発」をご参照ください。)ParkのAFMは、真のノンコンタクト™モードをあらゆる方法で実現する、市場において最初で唯一のAFMです。

この新しいテクノロジーは、チップ先端とサンプルにダメージを与えないことで、これまでにないチップとサンプルの距離を実現します。真のノンコンタクト™モードのこの利点により、AFM業界において比類のないAFMとして、測定精度と究極の分解能を実現できます。(詳細につきましては、「AFMの究極の分解能とは」をご参照ください。)

ノンコンタクトAFM:その原理

ノンコンタクトAFM(NC-AFM)は、サンプルの表面近くでAFMのカンチレバーを振動させるいくつかの振動カンチレバー技術の一つです。ParkのAFMのNC-AFMモードでのチップとサンプルの距離は、数十から数百オングストロームのオーダーとなっております。この間隔は、ノンコンタクトレジームとして図1のファンデルワールス曲線に示されています。二つの主要な力、静的な電気的反発力と引力が、原子間に短い距離で存在しますが、それがイオンコア間の静的な電気的反発力 (Fion) と、価電子とイオンコア間の静的な電気的引力 (Fel) です。チップ先端の原子とサンプル表面の原子との距離が非常に近くなると、これら力間の反発力が支配的になり、距離の増加により力が変化します。

コンタクトAFMは、イオンコア間に存在する反発性クローン相互作用に対するシステムの敏感な応答を利用し、表面トポグラフィーを測定します。ParkのAFMのNC-AFMモードは、チップとサンプル表面間の比較的大きな距離においてこの原子間力を利用することで、表面トポグラフィーを測定する仕組みです。

spm-true-non-contact-mode-afm-f1図1:原子間力 対 距離

チップ先端と表面原子の間の引力により、サンプルの表面近くのカンチレバーの共振周波数での振動は、固有ばね定数 (k0) から移動します。これを有効ばね定数 (keff) と呼び、次の方程式が成り立ちます。

keff = k0 - F’                  (1)   

引力が加わると、力勾配 F' (=∂F/∂z) が正であるため、keff k0 より小さくなります。したがって、表面と先端の相互作用が強いほど (つまり、先端が表面に近づくほど) 、有効バネ定数は小さくなります。この交流法 (AC検出) は、力自体とは対照的に、力の勾配に対してより敏感な反応をします。よって、磁気力顕微鏡 (MFM) および、ダイナミックフォース顕微鏡 (DFM) のような手法にも適用されます。

バイもモルフは、カンチレバーを機械的に振動させるために使用されます。バイモルフの駆動周波数がカンチレバーの固有振動周波数 (f0) に近づくと、共振が発生し、カンチレバーに伝達される振動が非常に大きくなります。この固有振動数は、バイモルフに印加される電圧の駆動周波数をスキャンしながらカンチレバーの振動の振幅を測定して記録することで検出できます。図2は、カンチレバーの振幅と振動周波数の関係を示しています。この出力から、カンチレバーの周波数を特定できます。

Park AFMの真のノンコンタクト™モードで使用される硬いカンチレバーは、通常、数ナノメートルの振動振幅と共に比較的に高い共振周波数 (100 kHz ~ 400 kHz) を持ちます。AFMシステムは、先端がサンプル表面に近づくと、共振周波数、または振動振幅の変化を検出します。この検出方式の感度は、コンタクトAFMと同様に、イメージにサブオングストローム以下の垂直解像度を提供します。

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図2. カンチレバーの共振周波数

 

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図3. 共振周波数の偏移

 

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図4. 昇進周波数の偏移

 

一方で、バネ定数はカンチレバーの共振周波数 (F0) に影響を及ぼし、自由空間にいけるバネ定数 (k0) と共振周波数 (f0) の関係は以下の式 (2)のようになります。

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

式 (1) のように、吸引力によりkeffがk0よりちいさくなるため、図3に示すようにfeffもf0より小さくなります。カンチレバーを周波数f1 (f0より少し大きい) で振動させると、勾配は、自由空間周波数対振幅を表すグラフで観察されます。 f0での振幅変化 (△A) は、原子の引力によって引き起こされる固有周波数のわずかな変化でも非常に大きくなります。したがって、f1で測定された振幅の変化は、チップと表面原子の間の距離の変化 (△d) を反映します。


表面原子とチップ間の相互作用に起因する有効共振周波数feffの変化、または特定の周波数 (f1) での振幅の変化 (△A) を測定できる場合、ノンコンタクトモードのフィードバックループは、図4に示されているように、チップとサンプル表面間の距離の変化を補正します。一定の振幅 (A0) と距離 (d0) を維持することにより、ノンコンタクトモードは次のような方法でサンプル表面のトポグラフィーを測定できます。フィードバックメカニズムを使い、式 (1) で表される力の勾配の測定に続いてZスキャナの動きを制御します。

 spm-true-non-contact-mode-afm-f5

図5. 1:1のアスペクト比の3Dレンダリング (1 ㎛スキャンサイズ) で表示された幅50 nm、深さ 100 nmのXE-100の真のノンコンタクト™モードで撮影されたイメージ。高いZサーボパフォーマンスを備えたPark AFMの真のノンコンタクト™モードは、トレンチの急な壁を正確にトレースできます。

 

Park SPM Modes