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試料弾性の位相イメージング

フェーズイメージング / 位相差顕微鏡

位相イメージングは、位相差顕微鏡 (PDM) とも呼ばれ、弾性、接着、摩擦などの表面特性の変化をマッピングするために使用されるもう一つの技術です。 位相イメージングは、NXシリーズが真のノンコンタクト™AFM、断続的コンタクトAFM (IC-AFM)、MFMモードなどの他のモードで動作しているときにも生成できます。 また、フォースモジュレーションイメージ(FMM)の撮影中に位相差イメージングを収集することもできます。

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図1. 試料表面の機械特性によって位相差が変化する。

位相イメージングとは、図1に示すように、カンチレバーの振動を駆動する信号と、カンチレバーの振動出力信号との間の位相差をモニターすることです。 位相差の変化は、試料表面の機械特性の変化を反映しています。システムのフィードバックループは通常の方法で動作し、 カンチレバーのたわみや振動の振幅の変化を利用して試料のトポグラフィーを測定します。位相差をモニターしながらトポグラフィー像を取得することで、 トポグラフィーと材料特性の画像を同時に収集することができます。

特に、コンタクトAFMではなく、真のノンコンタクト™AFMでトポグラフィーを測定するのが最適なサンプル(真のノンコンタクト™モードを参照)では、 位相差検出の応用の一つとして、材料特性情報を得ることができます。 このような試料では、位相差イメージングは、コンタクトAFMを用いてトポグラフィーを測定する力変調顕微鏡の代替手段として有用です。 図2は、ブロック共重合体の位相差AFM像(a)と位相差イメージング(b)です。位相イメージングは、トポグラフィー像を補完する情報を提供し、 ブロック共重合体の表面特性の変化を明らかにしています。

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図2. (a)ブロック共重合体のノンコンタクトAFM像と(b)位相像を同時に収集したもの。視界は1μm × 1μm。

 

NXシリーズAFMの真のノンコンタクト™モードでは、トポグラフィー、NCM振幅、NCM位相の3つの信号をモニターします。 自由空間で振動しているカンチレバーを考えてみましょう。カンチレバーが試料に近づくと、図3に示すように、自由空間での振動信号に対して、 振幅が減少し、位相が変化します。

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図3. カンチレバーの振動の共振曲線が表面に近づくにつれて変化する

真のノンコンタクト™モードでカンチレバーを表面形状に追従させるためには、 振幅または位相をフィードバックパラメータとして使用することができます。 振幅フィードバックのみを使用した場合、振幅の変化はほとんど無視できるはずですが、イメージング時には位相の変化が最も大きくなります。 振幅と位相の両方を使用して撮像時にZスキャナをフィードバックする場合は、振幅の変化とともに位相の変化も補正します。 その結果、振幅フィードバックのみの場合と比較して、位相変化量が減少しながら振幅変化量が増加する可能性があります。 NXシリーズの真のノンコンタクト™モードは、振幅と位相の両方をフィードバックするので、真のノンコンタクト™AFMが振幅フィードバックのみの場合、 その位相像は最高のコントラストになります(ユーザーはNCMの周波数スィープボックスで振幅フィードバックをオンにするだけです)。 図4は、OPVポリマーのトポグラフィカルな真のノンコンタクト™AFM像(a)と位相イメージング(b)を示しています。

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図4. (a) OPVポリマーの真のノンコンタクト™AFM像と(b)位相像を同時に収集したもの。視界は3 μm × 3 μm。

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