DE19939239A1

DE19939239A1 - Sensor for atomic force microscope, has at least one source magnetic field and at least one magnetic field detector used to measure movement on-and-off of opposite sides of bending element

Info

Publication number: DE19939239A1
Application number: DE19939239A
Authority: DE
Inventors: Uwe Hartmann; Volker Dworak; Peter Pitzius
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1999-08-18
Filing date: 1999-08-18
Publication date: 2001-04-05
Anticipated expiration: 2019-08-19
Also published as: DE19939239C2

Abstract

Sensor includes a bending element and a needle fastened to the bending element. At least one source magnetic field and at least one magnetic field detector e.g. SQUID are used to measure the movement on-and-off of the opposite sides of the bending element. An Independent claim is also included for a method of determining the movement of a sensor for an atomic force microscope.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor für ein Raster kraftmikroskop, zum Beispiel bekannt aus DE 195 20 457 C2. Der Sensor umfaßt ein Biegeelement, auch Hebelarm genannt, sowie eine am Biegeelement angebrachte Nadel, die auch als Spitze bezeichnet wird. Die Erfindung be trifft ferner ein Verfahren zur Ermittlung der Bewegung eines solchen Sensors.The invention relates to a sensor for a grid force microscope, for example known from DE 195 20 457 C2. The sensor comprises a bending element, also a lever arm called, and a needle attached to the bending element, which is also known as the tip. The invention be also applies a method for determining the movement of such a sensor.

In einem Rasterkraftmikroskop, auch bezeichnet als AFM (Atomic Force Microscope), wird die Oberfläche einer zu untersuchenden Probe mit der sehr dünnen Nadel abgeta stet. Die Atome der Nadel, die der Probe am nächsten sind, wechselwirken mit den Atomen der Probenoberflä che. Die Nadel erfährt hierbei eine Kraft. Üblicher weise weist das Biegeelement eine sehr geringe Feder konstante (10^-3-100 N/m) auf. Die auf die Nadel wir kende Kraft führt dann zu einer meßbaren Auslenkung des Biegeelementes.In a scanning force microscope, also called AFM (Atomic Force Microscope), the surface of a sample to be examined is scanned with the very thin needle. The atoms of the needle closest to the sample interact with the atoms on the sample surface. The needle experiences a force. Usually, the bending element has a very low spring constant (10 ^-3 -100 N / m). The force acting on the needle then leads to a measurable deflection of the bending element.

Während das Biegeelement relativ zur Probenoberfläche parallel bewegt wird, oszilliert es senkrecht zur Pro benoberfläche. Diese Auf- und Abbewegung wird durch eine abstoßende bzw. anziehende Kraft auf die Nadel verursacht. Sie hängt von der Position der Atome ab und vermittelt so eine Information über den atomaren Aufbau der Probenoberfläche. While the flexure is relative to the sample surface is moved in parallel, it oscillates perpendicular to the pro surface. This up and down movement is through a repulsive or attractive force on the needle caused. It depends on the position of the atoms and conveys information about the atomic structure the sample surface.

Der aus DE 195 20 457 C2 bekannte Sensor weist zwei auf ihrem Biegeelement befindliche Elektroden auf, die einen Tunnelkontakt bilden. Auslenkungen des Biegeele mentes verändern einen durch den Tunnelkontakt fließen den elektrischen Strom. Die Änderung des Stromes stellt ein Maß für die Auslenkung dar.The sensor known from DE 195 20 457 C2 has two their bending element on electrodes that form a tunnel contact. Deflections of the bending element mentes change one flowing through the tunnel contact the electric current. The change in current poses is a measure of the deflection.

Während der Relativbewegung des Sensors parallel zur Probenoberfläche wirkt ferner eine Querkraft auf die Nadel. Die Querkraft tritt auf, da die untersten Atome der Nadel in Abhängigkeit von der Art der Probenober fläche unterschiedlich gut über die Probe gleiten kön nen. Diese Art der Reibung wird auch als "molekulare Reibung" bezeichnet. Die Querkraft bewirkt eine Torsion des Biegeelementes.During the relative movement of the sensor parallel to Shear force also acts on the sample surface Needle. The shear force occurs because the lowest atoms the needle depending on the type of sample surface can slide differently well over the sample nen. This type of friction is also called "molecular Friction ". The transverse force causes a torsion of the bending element.

Alle kommerziellen Raumtemperatur-AFMs bieten die Mög lichkeit, diese Torsion zu messen, wenn sie über eine 4-Quadranten-Fotodiode verfügen. Mit Hilfe des soge nannten Lichtzeigerprinzips wird die Bewegung eines vom Biegeelement reflektierten Laserstrahls nach oben und unten als auch nach links und rechts mit Hilfe einer 4- Quadranten-Photodiode gemessen, und so die Torsion detektiert (siehe dazu T. R. Albrecht, P. Grütter, D. Rugar and D. P. E. Smith, Ultramicroscopy 45-44, (1992) 1638).All commercial room temperature AFMs offer the possibility to measure this torsion if they have a 4-quadrant photodiode. With the help of the so-called light pointer principle, the movement of a laser beam reflected by the bending element up and down as well as to the left and right is measured with the aid of a 4-quadrant photodiode, and the torsion is detected (see TR Albrecht, P. Grütter, D Rugar and DPE Smith, Ultramicroscopy 45-44, ( 1992 ) 1638).

Messungen mit dem Lichtzeigerprinzip sind in kryogener Umgebung so gut wie nicht möglich, da durch den Licht strahl Wärme zugeführt wird. Auch ist es aufgrund tech nischer Probleme kaum möglich, den Lichtstrahl über große Distanzen in einen Kryostaten hinein mit der er forderlichen Genauigkeit zu führen. In einigen Fällen wurde dieses Problem durch Zuhilfenahme einer optischen Glasfaser gelöst, wie aus A. Moser, H. J. Hug, O. Fritz, I. Parashikov and H. J. Güntherodt, J. Vac. Sci. Technol. B12, (1994) 1586 bekannt ist.Measurements with the light pointer principle are almost impossible in a cryogenic environment, since heat is supplied by the light beam. Also, due to technical problems, it is hardly possible to guide the light beam over long distances into a cryostat with the required accuracy. In some cases, this problem was solved by using an optical fiber, as described in A. Moser, HJ Hug, O. Fritz, I. Parashikov and HJ Güntherodt, J. Vac. Sci. Technol. B12, ( 1994 ) 1586.

Nachteilig kann aber durch das dann verwendete inter ferometrische Meßprinzip nur eine Abstandskomponente, nämlich die vertikale Auslenkung des Biegeelementes, gemessen werden. Die Torsion bzw. die molekulare Rei bung kann dann nicht gemessen werden.However, the inter ferometric measuring principle only one distance component, namely the vertical deflection of the bending element, be measured. The torsion or the molecular Rei then exercise cannot be measured.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Sensors für ein Rasterkraftmikroskop, bei dem sowohl die verti kalen Auslenkungen als auch die molekulare Reibung auf neuartige Weise ermittelt werden können. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein weiteres Verfahren zu schaffen, mit welchem neben der eigentlichen Auf- und Abbewegung auch die Torsionsbewegung eines Sensors eines Rasterkraftmikroskops ermittelt werden kann.The object of the invention is to create a sensor for an atomic force microscope, in which both the verti kalen deflections as well as the molecular friction novel ways can be determined. Furthermore, it is the object of the invention to a further method create with which in addition to the actual opening and closing Downward movement also the torsional movement of a sensor an atomic force microscope can be determined.

Die Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Nebenansprüche gelöst.The task is carried out by a sensor with the characteristics of the main claim and through a procedure with the Features of the subsidiary claims solved.

Der anspruchsgemäße Sensor umfaßt Mittel, die die Auf- und Abbewegung einer Seite des Biegeelmentes sowie die Auf- und Abbewegung einer anderen, gegenüberliegenden Seite des Biegeelmentes messen.The sensor according to the claims comprises means which and movement of one side of the bending element and the Moving up and down another, opposite Measure the side of the bending element.

Eine gegenüberliegende Seite im Sinne der Erfindung liegt vor, wenn aus den gemessenen Auf- und Abbewegun gen der beiden Seiten sowohl die Auf- und Abbewegung des Biegeelmentes als auch seine Torsionsbewegung be rechnet werden kann.An opposite side in the sense of the invention is present if from the measured up and down movements the up and down movement against both sides of the bending element as well as its torsional movement can be expected.

Beispielsweise liegt das Biegeelement in Form eines Streifens vor. Der Streifen wird von einer Ober- und Unterseite (vorgegeben durch Streifenbreite mal Strei fenlänge), zwei Stirnseiten und zwei Längsseiten (seit liche Kannten des Streifens) begrenzt. Ein Detektor mißt dann an einer Stelle einer Längsseite die Bewe gung. Ein anderer Detektor mißt an der gegenüberliegen den Stelle der gegenüberliegenden Längsseite die Bewe gung. Mißt jeder Detektor die gleichen Bewegungen, so bewegt sich der Sensor ausschließlich auf und ab. Mes sen die beiden Detektoren unterschiedliche Bewegungen, so liegt eine Torsionsbewegung und eventuell zusätzlich eine Auf- und Abbewegung der Nadel vor.For example, the bending element is in the form of a Strip. The strip is made of a top and Bottom side (given by strip width times strip length), two end faces and two long sides (since edges of the strip). A detector then measures the movement at a point on one long side supply. Another detector measures on the opposite the position of the opposite long side of the movement supply. If every detector measures the same movements, so the sensor only moves up and down. Mes the two detectors have different movements, so there is a torsional movement and possibly additional an up and down movement of the needle.

Als Detektoren können insbesondere die auf dem Gebiet der Rasterkraftmikroskopie bekannten eingesetzt werden. Ein Beispiel für einen solchen Detektor stellt der aus der Druckschrift DE 39 22 589 A1 bekannte dar. Das Bie geelement bildet die eine Hälfte einer Kondensatorelek trode. Die andere Kondensatorelektrode ist ortsfest nahe beim Biegeelement plaziert. Eine Bewegung des Bie geelementes verändert den Abstand zum ortsfesten Teil des Kondensators und damit die Kapazität. Die ermit telte Kapazitätsänderung ist ein Maß für die erfolgte Bewegung.In particular, those in the field can be used as detectors known from atomic force microscopy. The shows an example of such a detector the publication DE 39 22 589 A1 known. The Bie geelement forms one half of a capacitor trode. The other capacitor electrode is stationary placed near the bending element. A movement of the bie geelementes changes the distance to the fixed part of the capacitor and thus the capacitance. The mitit The capacity change is a measure of the success Move.

Ein weiteres Beispiel für einen solchen Detektor stellt der aus der Druckschrift US Re. 33 387 bekannte dar, bei dem anstelle einer Kapazität ein Tunnelstrom gemes sen wird.Another example of such a detector the from US Re. 33 387 known ones where instead of a capacity a tunnel current is measured will.

In einer vorteilhaft einfachen Ausführungsform der Er findung umfaßt die Sonde eine Magnetfeldquelle, die zum Beispiel in Form einer Beschichtung des Biegeelementes mit magnetischem Material vorliegen kann. Als Detektor oder Detektoren werden dann Magnetfelddetektoren einge setzt, die die Magnetfeldquelle oder -quellen erfassen. Es sind sehr empfindliche Messungen möglich, insbeson dere wenn SQUIDs (Supraleitender QUanten-Interferenz- Detektor), zum Beispiel bekannt aus DE 195 19 480 A1, als Magnetfelddetektoren eingesetzt werden.In an advantageously simple embodiment of the invention, the probe comprises a magnetic field source, which can be present, for example, in the form of a coating of the bending element with magnetic material. Magnetic field detectors are then used as the detector or detectors, which detect the magnetic field source or sources. There are possible very sensitive measurements, and in particular when SQUIDs (Superconducting antennas QU I nterferenz- etektor D) are, for example, used known from DE 195 19 480 A1 as the magnetic field detectors.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er findung umfaßt die Sonde wenigstens eine Magnetfeld quelle mit hohem Streufeldgradienten. Hohe Streufeld gradienten treten regelmäßig an Kanten und Spitzen der Magnetschicht, an Domänengrenzen oder an Multipolen (wie z. B. bei Festplattenbits) auf. Streufelder sind typischerweise ab 10^-6 ϕ₀ meßbar. Unter hohen Streufeld gradienten im Sinne der Erfindung sind Variationen des Streufeldes größer als 10^-2 ϕ₀/µm zu verstehen, insbe sondere größer als 10^-1 ϕ₀/µm.In a further advantageous embodiment of the invention, the probe comprises at least one magnetic field source with a high stray field gradient. High stray field gradients occur regularly at the edges and tips of the magnetic layer, at domain boundaries or at multipoles (such as hard disk bits). Stray fields can typically be measured from 10 ^-6 ϕ ₀ . High stray field gradients in the sense of the invention are to be understood as variations of the stray field larger than 10 ^-2 ϕ ₀ / µm, in particular larger than 10 ^-1 ϕ ₀ / µm.

Die Magnetfeldquelle ist insbesondere mit dem Biegeele ment verbunden. Als Detektor oder Detektoren werden dann ein oder mehrere Magnetfelddetektoren vorgesehen, die die Magnetfeldquelle oder -quellen geeignet regi strieren. Eine geeignete Registrierung liegt vor, wenn durch die Registrierung die Bewegungen zweier gegen überliegender Seiten des Biegeelementes ermittelt wer den können. Magnetfeldquellen können auch ortsfest nahe beim Biegeelement angebracht sein. Dann sind der oder die Magnetfelddetektoren am Biegeelement anzubringen.The magnetic field source is especially with the bending element ment connected. Be as a detector or detectors then one or more magnetic field detectors are provided, which suitably regulate the magnetic field source or sources strate. A suitable registration exists if by registering the movements of two against overlying sides of the bending element who determined that can. Magnetic field sources can also be stationary close be attached to the bending element. Then the or attach the magnetic field detectors to the bending element.

Es zeigenShow it

Fig. 1 Ausführungsform des Sensors mit zwei Detektoren Fig. 1 embodiment of the sensor with two detectors

Fig. 2 Ausführungsform des Sensors mit einem Detektor Fig. 2 embodiment of the sensor with a detector

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Sonde mit zwei Detektoren in Aufsicht (linke Abbildung) und im Schnitt (rechte Abbildung). Das Biegeelement weist eine strei fenförmige magnetische Beschichtung als Magnetfeld quelle auf. Dieser magnetische Streifen verläuft von einer Längsseite des Biegeelementes zur anderen gegen überliegenden Längsseite. Der magnetische Streifen ver läuft an dem Ende des Biegeelementes, an dem die Nadel bzw. Spitze befestigt ist. In der Nähe der beiden Enden des aus magnetischem Material bestehenden Streifens ist je ein SQUID ortsfest plaziert. Die von den Enden des magnetischen Streifens ausgehenden magnetischen Streu felder H werden von dem jeweiligen SQUID registriert. Signale Sig_SQ1 bzw. Sig_SQ2 werden so vom ersten bzw. zweiten SQUID ermittelt. Die registrierten Streufelder verändern sich bei Auftreten einer Torsionskraft und/oder anziehenden/abstoßenden Kraft, die auf die Spitze in der in der Fig. 1, rechte Abbildung, gezeig ten Weise einwirken. Die Änderungen der registrierten Streufelder ermöglichen die Berechnung der Torsions- sowie der Auf- und Abbewegung des Biegeelementes. Fig. 1 shows an embodiment of the probe with two detectors in top view (left figure) and in section (right figure). The bending element has a strip-shaped magnetic coating as a magnetic field source. This magnetic strip runs from one long side of the bending element to the other opposite the long side. The magnetic strip runs at the end of the bending element to which the needle or tip is attached. A SQUID is placed in the vicinity of the two ends of the strip made of magnetic material. The magnetic stray fields H emanating from the ends of the magnetic stripe are registered by the respective SQUID. Signals Sig _SQ1 or Sig _SQ2 are thus determined by the first or second SQUID. The registered stray fields change when a torsional force and / or attractive / repulsive force occur, which act on the tip in the manner shown in FIG. 1, right illustration. The changes in the registered stray fields enable the torsion as well as the up and down movement of the bending element to be calculated.

Durch die Verwendung von zwei SQUIDs und einem Feldgra dienten jeweils an den seitlichen Kanten des Biegeele mentes gemäß Fig. 1 können Biege- und Torsionsbewegun gen voneinander unabhängig detektiert werden. So ergibt die Differenz Sig. 2 der beiden SQUID-Meßsignale Sig_SQ1 bzw. Sig_SQ2 für einfach geschlossene magnetische Feldli nien das Signal, welches die Auf- und Abbewegung be schreibt, und die Addition Sig. 1 das Signal, welches die Torsion beschreibt. Durch Wahl entsprechender Mate rialien bei der magnetischen Beschichtung kann der Gra dient des Streufeldes optional vergrößert werden und erforderlichenfalls der Dynamikbereich des Reibungssen sors an das Meßproblem angepaßt werden. Als magnetische Materialien eignen sich insbesondere ein hartmagneti sches Material, wie es auch für Festplatten verwendet wird, oder alle anderen hartmagnetischen Materialien (Fe, Ni, Co, Fe_x, Ni_y, usw.), die sich auf das Biegeele ment abscheiden lassen.By using two SQUIDs and a Feldgra served on the lateral edges of the Biegeele elementes according to FIG. 1, bending and torsional movements can be detected independently of one another. Thus, the difference Sig. 2 of the two SQUID measurement signals Sig _SQ1 and Sig _SQ2 for simply closed magnetic field lines is the signal that describes the up and down movement, and the addition Sig. 1 is the signal that describes the torsion. By choosing appropriate materials for the magnetic coating, the gra of the stray field can optionally be enlarged and, if necessary, the dynamic range of the friction sensor can be adapted to the measurement problem. Particularly suitable magnetic materials are a hard magnetic material, such as is also used for hard disks, or all other hard magnetic materials (Fe, Ni, Co, Fe _x , Ni _y , etc.) that can be deposited on the bending element.

Die Erfindung kann sehr variabel für alle Bereiche der Tieftemperatur-Kraftmikroskopie eingesetzt werden. So ist es sowohl möglich im flüssigen Helium, flüssigen Stickstoff oder im kühlenden Gasfluß sowie bei geeigne ter Passivierung der SQUIDs unter Vakuumbedingungen zu messen. Letzteres erlaubt eine variable Temperatur der Probe, deren Oberfläche untersucht wird. Eine Passivie rung erfolgt beispielsweise physikalisch durch Aufbrin gen einer SiO₂-Schicht oder chemisch durch einen Photo lack, z. B. PMMA.The invention can be used very variably for all areas of low-temperature force microscopy. So it is possible to measure in liquid helium, liquid nitrogen or in the cooling gas flow as well as with suitable passivation of the SQUIDs under vacuum conditions. The latter allows a variable temperature of the sample, the surface of which is examined. Passivation takes place, for example, physically by applying an SiO ₂ layer or chemically by a photo lacquer, e.g. B. PMMA.

Die Erfindung läßt sich mit jedem rf- oder dc-SQUID realisieren. Des weiteren kann auch je eine Einkoppel schleife alternativ anstelle der in Fig. 1 gezeigten SQUIDs positioniert werden, die dann das jeweilige Meß signal zum jeweiligen SQUID übertragen. Mit Hilfe einer Einkoppelschleife kann auch ein Gradiometer derart ge formt werden, daß mit nur einem SQUID sehr störun empfindlich die Bewegung gemessen werden kann.The invention can be implemented with any rf or dc SQUID. Furthermore, a coupling loop can alternatively be positioned instead of the SQUIDs shown in FIG. 1, which then transmit the respective measurement signal to the respective SQUID. With the help of a coupling loop, a gradiometer can also be formed in such a way that the movement can be measured with very little interference with only one SQUID.

Ein Gradiometer mißt den Gradienten zwischen zwei Meß punkten. Im vorliegenden Fall wird der magnetische Feldgradient gemessen. Dies bietet einen meßtechnischen Vorteil, da das Signal einer magnetischen Störquelle, die sich weit entfernt befindet, an beiden Meßpunkten gleich ist und somit bei der Differenzbildung regel mäßig herausfällt.A gradiometer measures the gradient between two measurements score. In the present case, the magnetic Field gradient measured. This offers a metrological Advantage because the signal from a magnetic interference source, which is far away at both measuring points is the same and therefore rule in the formation of differences falls out moderately.

Ein Aufbau mit nur einem SQUID und einer gradiometri schen Einkoppelschleife ist aus Fig. 2 ersichtlich. Dabei werden die beiden Sensoren des Gradiometers durch eine Einkoppelschleife ersetzt, die wie eine Achterbahn geformt ist, und somit schon die Differenz mißt.A structure with only one SQUID and a gradiometric coupling loop is shown in FIG. 2. The two sensors of the gradiometer are replaced by a coupling loop, which is shaped like a roller coaster and thus already measures the difference.

Claims

1. Sensor for an atomic force microscope with a bending ge element and a needle attached to the bending element, characterized by means capable of measuring the up and down movement of one side and the other, opposite side of the bending element.

2. Sensor according to the preceding claim, in which the Means of registering the up and down movements at least one magnetic field source and at least one Include magnetic field detector.

3. Sensor according to the preceding claim, in which as Magnetic field detector or detectors at least one SQUID is used.

4. Sensor according to any one of the preceding claims, at which the bending element at the end with the tip Coated with magnetic material in strips tet is so that on two opposite sides of the bending element stray magnetic fields be emitted, with the two off the side radiated magnetic stray fields from one or who each registers a fixedly placed SQUID the.

5. Procedure for determining the movement of a sensor an atomic force microscope, characterized, that the up and down movement of a page and the other, essentially opposite side of the bending element of the sensor measured and from there the torsion and the up and down movement of the Sensor is calculated.