EP1623433A1 - Verfahren und vorrichtung zur berührungslosen anregung von torsionsschwingungen in einem einseitig eingespannten federbalken eines rasterkraftmikroskops - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur berührungslosen anregung von torsionsschwingungen in einem einseitig eingespannten federbalken eines rasterkraftmikroskops

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EP1623433A1
EP1623433A1 EP04731578A EP04731578A EP1623433A1 EP 1623433 A1 EP1623433 A1 EP 1623433A1 EP 04731578 A EP04731578 A EP 04731578A EP 04731578 A EP04731578 A EP 04731578A EP 1623433 A1 EP1623433 A1 EP 1623433A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cantilever
vibrations
vibration
excitation
sample
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04731578A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael REINSTÄDTLER
Volker Scherer
Walter Arnold
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1623433A1 publication Critical patent/EP1623433A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/32—AC mode
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures

Definitions

  • the invention relates to a method for excitation of free torsional vibrations in a cantilever beam of an atomic force microscope (RKM) which is clamped on one side and has a longitudinal extension.
  • RKM atomic force microscope
  • the force microscope has a spring bar designed as a leaf spring, typically with a length between 100 ⁇ m and 500 ⁇ m, on one end of which a pyramid-shaped measuring tip with a tip radius of curvature of approximately 50 nanometers is attached.
  • the cantilever In order to measure and record the sample surface as holistically as possible, the cantilever, and thus with it, is moved using a suitable movement device connected measuring tip rastered over the sample surface in such a way that the measuring tip comes into contact with the sample surface with a predefinable contact force at each individual raster point with the sample surface.
  • a suitable movement device connected measuring tip rastered over the sample surface in such a way that the measuring tip comes into contact with the sample surface with a predefinable contact force at each individual raster point with the sample surface.
  • an optical sensor unit With the help of an optical sensor unit, it is possible to record the degree of deflection of the cantilever and thus the topography-related deflection of the measuring tip.
  • the optical sensor unit usually provides a laser diode, from which a laser beam emerges directed onto the cantilever, is reflected on the cantilever and is detected by a position-sensitive photodiode.
  • the cantilever including the measuring tip, is actively tracked perpendicular to the sample surface via a control loop, so that the deflection of the cantilever or the contact force with which the cantilever rests over the measuring tip on the sample surface remains constant.
  • the control voltage required for the deflection is typically converted into a distance value and, as a color value, is correspondingly brought into a representation from which the surface topography can ultimately be found.
  • an ultrasonic wave generator which sets the sample surface in oscillation while the measuring tip rests on a raster point on the sample surface.
  • the vibration excitation by the ultrasonic wave coupling leads to normal vibrations of the sample surface, by means of which the cantilever is set into high-frequency oscillating bending vibrations along its extent.
  • the cantilever Due to the vibration excitation directed transversely to the longitudinal extent of the cantilever, the cantilever is subjected to torsional vibrations via the measuring tip in contact with the sample surface, the measuring tip, which is at least temporarily in contact with the sample surface, executing oscillations directed longitudinally to the sample surface, which are directed transversely to the longitudinal axis of the cantilever or are polarized.
  • the probe tip temporarily sticks to the sample surface, which is deformed by shear forces acting laterally to the sample surface, until the probe tip slides back over the sample surface from this situation, which can be described by friction.
  • the shear deformations that form at the reversal points of movement depending on the contact force with which the measuring tip rests on the sample surface influence the vibration behavior of the measuring tip and, in connection with this, the cantilever in a manner that characterizes the elastic properties of the sample surface. It is thus possible to make statements about the elastic properties, in particular about the shear contact rigidity of the sample surface, from the vibration behavior, for example from the vibration amplitude, frequency and / or phase of the oscillations which form in the form of torsional vibrations along the cantilever.
  • the simpler operating mode concerns the excitation of the Cantilever below its vibration resonance. This operating mode is used to record the friction at high relative speeds between the measuring tip and the sample surface, and to determine the viscoelastic properties of sample materials. The amplitude and / or the phase shift of the oscillation of the cantilever with respect to the excitation oscillation is recorded and evaluated accordingly.
  • the other operating mode provides for vibration excitation of the cantilever at its vibration resonance.
  • the position of the resonance frequency of the torsional vibration of the cantilever depends on the frictional force that acts between the measuring tip and the sample surface.
  • the frictional force is influenced by the elastic properties of the probe and sample materials.
  • the vertical or compression contact stiffness can be determined via the bending resonances of the cantilever.
  • a more precise determination of the compression contact stiffness is not possible via the absolute position of the contact resonance, but rather through its displacement in relation to the corresponding free bending resonance of the cantilever clamped on one side.
  • a vibrating element can in principle be used to excite them, which is attached to the suspension of the cantilever clamped on one side and excites the cantilever to vertically polarized bending vibrations.
  • a vibrating element which is attached under the sample to be examined, by which the sample surface is set in vertical vibrations. See also U. Rabe, K. Janser, W. Arnold, Rev. Sei Instrum. 67 (1997) 3281.
  • the normal vibrations of the sample surfaces create longitudinal waves that propagate through the air.
  • the cantilever beam which is clamped on one side and is held at a distance from the vibrating surface, is set into bending vibration by the sound waves, which resonate at a corresponding excitation frequency, the resonance frequencies of which can be measured precisely.
  • the shear contact stiffness not to determine the absolute torsional resonance frequency of the cantilever, but rather its displacement relative to the corresponding free torsional resonance.
  • the free resonance can be excited with a Scherschwinger element, which is attached to the suspension of the cantilever cantilever, as described in an article by S. Nakanao, R. Maeda, K. Yamanaka, Jpn. J. Appl. Phys. 36 (1997) 3265.
  • the invention is based on the object of specifying a method for exciting free torsional vibrations in a cantilever beam of an atomic force microscope (RKM) clamped on one side and having a longitudinal extension in such a way that the above disadvantages are avoided.
  • RKM atomic force microscope
  • the measures to be taken for this purpose should preferably be able to be applied without great effort in all atomic force microscopes which are already in use and which operate on the principle of frictional force.
  • a method for exciting free torsional vibrations is formed in a cantilever beam of an atomic force microscope (RKM) which is clamped on one side and has a longitudinal extension, in such a way that the cantilever beam is spaced apart, that is to say it is arranged in a contactless manner with respect to a surface between which and the spring beam an acoustic coupling medium is present is.
  • a gaseous medium in the simplest case ambient air, under normal pressure and temperature conditions is preferably suitable for this.
  • the surface over which the cantilever beam is spaced is displaced in vibrations that are oriented laterally to the surface and linearly polarized along an oscillation direction.
  • the polarization axis predetermined by the direction of oscillation of the surface is oriented perpendicular to the longitudinal extent of the cantilever.
  • the sample surface to be examined, its shear contact stiffness and / or its friction property must be determined, can be used as a laterally vibrating surface to determine the free torsional vibration resonances of the cantilever.
  • Such a measuring arrangement can be found in detail in the exemplary embodiment described below.
  • a light-assisted measuring sensor which is able to detect the vibration behavior of the cantilever without contact, as is already known from the scanning microscope technology, which is known per se, is used to detect the vibrations carried out by the cantilever, in particular the torsional vibrations.
  • FIG. 2 representation of a measurement diagram.
  • Fig. 1 shows a schematic compilation of all components for excitation of a cantilever beam 3, which is attached to a suspension 4, for exercising free torsional vibration resonances.
  • a shear transducer element 1 is fastened on a suitably designed base or holder 6, which is preferably made of piezoelectric material and can be set in vibration by means of suitable electrical excitation in such a way that the surface 8 of the shear transducer element 1 polarizes in a lateral direction along an oscillation direction Vibrations is set.
  • a sample 2 to be examined is applied to the surface 8 of the Scherschwinger element 1 by means of a suitable coupling means (7), for example an adhesive layer, which is excited, as it were, the surface 8 into lateral, linearly polarized vibrations (see arrow illustration in FIG.
  • the spring bar 3, at the free end of which a measuring tip is attached, is positioned at a distance from the sample surface of the sample 2 and is coupled on one side to a suspension 4.
  • the cantilever has a length of up to 600 ⁇ m and a width of up to 80 ⁇ m and is attached at a distance of a few micrometers to a few centimeters (maximum 4 to 6 cm) from the sample surface of sample 2.
  • the cantilever 3 is oriented such that its longitudinal axis is perpendicular to the direction of oscillation or polarization of the shear oscillator element 1.
  • the suspension 4 can additionally be provided with a thickness transducer 5, which can set the spring beam 3 in bending vibrations for combined examinations.
  • the cantilever 3 is set in torsional vibrations over the in-plane surface of the sample 2 and the shear vibrating element 1.
  • the surface 8 of the shear vibrating element 1 is larger than the projection of that surface onto the surface 8 which is covered by the spring bar 3. It is also advantageous to dimension the sample surface of sample 2 larger than the vertical projection of the area of the cantilever above the sample surface of sample 2. It is also advantageous to choose the lateral sample dimension 2 smaller than the surface 8 of the Scherschwinger element, such as it is also shown in FIG. 1, so that the sample 2 rises above the surface 8 with its sample side walls.
  • the measuring sensor system with which the vibration behavior of the cantilever 3 is detected is not shown in FIG. 1.
  • the shear vibrating element 1 is excited with a sinusoidal electrical voltage with constant amplitude and at the same time continuously traverses the excitation frequency while the amplitude of the torsional vibration of the cantilever is being recorded, then an oscillation spectrum as shown in FIG. 2 is obtained along the abscissa the oscillation frequencies and along the ordinate the signal amplitudes are plotted.
  • the oscillation spectrum thus shows discrete resonances, the position of which is characteristic of a cantilever 3 with certain geometric dimensions and a certain shear modulus.
  • the free torsion and bending modes can be used to check in a very short time whether the spring bar 3 corresponds to the general model of the bending bar and can be used for quantitative measurements at all.
  • the free resonance frequency can also be used to provide information about the cantilever such as. B. to get its geometry, elasticity, vertical and lateral spring constant. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Anregung freier Torsionsschwingungen in einem einseitig eingespannten, über eine Längserstreckung verfügenden Federbalken eines Rasterkraftmikroskops (RKM). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der einseitig eingespannte Federbalken beabstandet über eine Oberfläche angeordnet wird, zwischen der und dem Federbalken ein akustisches Koppelmedium vorhanden ist, dass die Oberfläche in lateral zur Oberfläche orientierte und längs einer Schwingungsrichtung linear polarisierte Schwingungen versetzt wird, und dass die durch die Schwingungsrichtung vorgegebene Polarisationsachse senkrecht zur Längserstreckung des Federbalkens orientiert wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Anregung von Torsionsschwingungen in einem einseitig eingespannten Federbalken eines
Rasterkraftmikroskops
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Anregung freier Torsionsschwingungen in einem einseitig eingespannten, über eine Längserstreckung verfügenden Federbalken eines Rasterkraftmikroskops (RKM).
Stand der Technik
Mit der Entwicklung des Rasterkraftmikroskops (RKM) konnten bereits große Erfolge auf dem Gebiet der Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere bei der Charakterisierung von Oberflächeneigenschaften erzielt werden. Erstmals ist es möglich, Informationen über Oberflächen und oberflächennahe Bereiche verschiedenster Proben mit einer Auflösung von Nanometern, ja sogar bis zur Größenordnung von Einzelatomen zu erhalten. Eines der ältesten Phänomene der Technik, die Reibung, konnte mit Hilfe der aus der RKM weiterentwickelten Reibungsmikroskopie oder Lateralkraftmikroskopie erstmals auf dieser Skala untersucht werden.
Aus der DE 43 24 983 C2 geht hierzu ein akustisches Mikroskop hervor, das auf der Technologiebasis eines Rasterkraftmikroskopes arbeitet und sowohl die Topographie als auch die Elastizitäteigenschaften einer Probenoberfläche zu vermessen vermag. Das Kraftmikroskop weist einen als Blattfeder ausgebildeten Federbalken, typischerweise mit einer Länge zwischen 100 μm und 500 μm auf, an dessen einem Ende eine pyramidenartig geformte Messspitze mit einem Spitzenkrümmungsradius von etwa 50 Nanometer angebracht ist.
Um die Probenoberfläche möglichst ganzheitlich zu vermessen und zu erfassen, wird mit Hilfe einer geeigneten Bewegungsvorrichtung der Federbalken und die damit verbundene Messspitze über die Probenoberfläche derart gerastert, dass die Messspitze mit einer vorgebbaren Auflagekraft mit der Probenoberfläche an jedem einzelnen Rasterpunkt mit der Probenoberfläche in Kontakt tritt. Mit Hilfe einer optischen Sensoreinheit ist es möglich, den Grad der Durchbiegung des Federbalkens und damit die topographiebedingte Auslenkung der Messspitze zu erfassen. Die optische Sensoreinheit sieht üblicherweise eine Laserdiode vor, aus der ein Laserstrahl auf den Federbalken gerichtet austritt, an dem Federbalken reflektiert wird und von einer positionsempfindlichen Fotodiode detektiert wird. Über eine Regelschleife wird der Federbalken inklusive Messspitze während des Abrasterns senkrecht zur Probenoberfläche derart aktiv nachgeführt, so dass die Auslenkung des Federbalkens bzw. die Auflagekraft mit der der Federbalken über die Messspitze auf der Probenoberfläche aufliegt, konstant bleibt. Die zur Auslenkung erforderliche Regelspannung wird typischerweise in einen Distanzwert umgerechnet und als Farbwert kodiert entsprechend in eine Darstellung gebracht, aus der die Oberflächentopographie letztlich entnehmbar ist.
Um zusätzlich die elastischen Eigenschaften der Probenoberfläche ermitteln zu können, ist ein Ultraschallwellengenerator vorgesehen, der die Probenoberfläche in Oszillationen versetzt, während die Messspitze an einem Rasterpunkt auf der Probenoberfläche aufliegt. Die Schwingungsanregung durch die Ultraschallwelleneinkopplung führt zu Normalschwingungen der Probenoberfläche, durch die der Federbalken in hochfrequente oszillierende Biegeschwingungen längs seiner Erstreckung versetzt wird.
Durch Detektion des ultraschall-induzierten, hochfrequenten Schwingungsverhaltens des Federbalkens können Rückschlüsse auf die Elastizitätseigenschaften, insbesondere bei einem Normalschwingungen ausführenden Federbalkens auf die Kompressionssteifigkeit der Probenoberfläche gewonnen werden. Weitere Einzelheiten hierzu können der vorstehend genannten DE 43 24 983 C2 entnommen werden. Im Unterschied zu der vorstehend beschriebenen Resonanzmessung mit vertikaler Schwingungsmodulation, d.h. die zu untersuchende Probenoberfläche wird zu Normalschwingungen angeregt, geht aus der US 5,804,708 ein Kraftmikroskop zwar mit ähnlichen Aufbau hervor, jedoch erfolgt die Schwingungsanregung der zu untersuchenden Probe mit Hilfe eines Signalgenerators derart, dass die Probenoberfläche lateral zur Probenoberfläche orientierte Oszillationen ausführt, die insbesondere transversal in Bezug zur Längserstreckung des Federbalkens gerichtet sind.
Durch die transversal zur Längserstreckung des Federbalkens gerichtete Schwingungsanregung, gerät der Federbalken über die mit der Probenoberfläche in Kontakt befindlichen Messspitze in Torsionsschwingungen, wobei die zumindest zeitweise mit der Probenoberfläche in Kontakt befindliche Messspitze längs zur Probenoberfläche gerichtete Oszillationen ausführt, die quer zur Federbalkenlängserstreckung gerichtet bzw. polarisiert sind. Jeweils an den Bewegungsumkehrpunkten der Oszillationen gerät die Messspitze kurzzeitig in Haftung mit der Probenoberfläche, die durch lateral zur Probenoberfläche wirkende Scherkräfte deformiert wird, bis die Messspitze aus dieser durch Reibung zu beschreibenden Situation wieder über die Probenoberfläche zurückgleitet.
Die sich in Abhängigkeit der Auflagekraft, mit der die Messspitze auf der Probenoberfläche aufliegt, an den Bewegungsumkehrpunkten ausbildenden Scherdeformationen beeinflussen das Schwingungsverhalten der Messspitze und damit verbunden des Federbalkens in einer die Elastizitätseigenschaften der Probenoberfläche charakterisierenden Weise. Somit ist es möglich, aus dem Schwingungsverhalten, bspw. aus der Schwingungsamplitude, frequenz und/oder - phase der sich in Form von Torsionsschwingungen längs des Federbalkens ausbildenden Oszillationen Aussagen über die Elastizitätseigenschaften, insbesondere über die Scherkontaktsteifigkeit der Probenoberfläche zu treffen.
Grundsätzlich werden zwei Betriebsarten in der dynamischen Reibungsmikroskopie voneinander unterschieden. Die einfachere Betriebsart betrifft die Anregung des Federbalkens unterhalb seiner Schwingungsresonanz. Man verwendet diese Betriebsart zur Erfassung der Reibung bei hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen Messspitze und Probenoberfläche, zur Bestimmung von viskoelastischen Eigenschaften von Probenwerkstoffen. Dabei wird die Amplitude und/oder die Phasenverschiebung der Schwingung des Federbalkens gegenüber der Anregungsschwingung aufgezeichnet und entsprechend ausgewertet.
Die andere Betriebsart sieht eine Schwingungsanregung des Federbalkens bei seiner Schwingungsresonanz vor. So hängt bspw. die Lage der Resonanzfrequenz der Torsionsschwingung des Federbalkens von der Reibkraft ab, die zwischen der Messspitze und der Probenoberfläche wirkt. Ferner wird die Reibkraft von den elastischen Eigenschaften der Werkstoffe von Tastspitze und Probe beeinflusst.
Bei der letztgenannten Betriebsart wird lediglich die Lage der Resonanz des Federbalkens untersucht, nicht jedoch die absolute Torsions-Schwingungsamplitude wie beim erst genannten Fall. Sind Länge, Breite und Dicke des Federbalkens sowie die Länge der Messspitze und die elastischen Konstanten des Balkenmaterials und dessen Massedichte bekannt, so ist es möglich aus der Torsions-Resonanzfrequenz die sogenannte laterale Kontaktsteifigkeit oder Scher-Kontaktsteifigkeit zu berechnen.
Gleichsam der vorstehenden Methode kann über die Biegeresonanzen des Federbalkens die vertikale oder Kompressions-Kontaktsteifigkeit bestimmt werden. Hierbei lehrt die Erfahrung, dass eine präzisere Bestimmung der Kompressions- Kontaktsteifigkeit nicht über die absolute Lage der Kontaktresonanz, sondern über deren Verschiebung gegenüber der entsprechenden freien Biege-Resonanz des einseitig eingespannten Federbalkens möglich ist.
Zur Ermittlung der freien Biegeresonanzen kann zu deren Anregung prinzipiell ein Schwingelement eingesetzt werden, das an der Aufhängung des einseitig eingespannten Federbalkens angebracht ist und den Federbalken zu vertikal polarisierten Biegeschwingungen anregt. Es hat sich jedoch als zweckmäßig erwiesen, die Anregung über ein Schwingelement durchzuführen, welches unter der zu untersuchenden Probe angebracht ist, durch das die Probenoberfläche in Vertikalschwingungen versetzt wird. Siehe auch U. Rabe, K. Janser, W. Arnold, Rev. Sei Instrum. 67 (1997) 3281. Oberhalb der Probe entstehen durch die Normalschwingungen der Probenoberflächen Longitudinalwellen, die sich über die Luft fortpflanzen. Der Federbalken, der einseitig eingespannt ist und in einem Abstand von der schwingenden Oberfläche gehalten wird, wird durch die Schallwellen in Biegeschwingung versetzt, die bei entsprechender Anregungsfrequenz in Resonanz geraten, deren Resonanzfrequenzen exakt vermessbar sind.
Ebenso wie im vorstehenden Fall für die Messung der Kompressions- Kontaktsteifigkeit, ist es auch für die Scher-Kontaktsteifigkeit von Vorteil, nicht die absolute Torsions-Resonanzfrequenz des Federbalkens, sondern deren Verschiebung gegenüber der entsprechenden freien Torsions-Resonanz zu ermitteln. Die freie Resonanz kann mit einem Scherschwinger-Element angeregt werden, das an der Aufhängung des einseitig eingespannten Federbalkens angebracht ist, wie es aus einem Artikel von S. Nakanao, R. Maeda, K. Yamanaka, Jpn. J. Appl. Phys. 36 (1997) 3265, hervorgeht.
Diese Vorgehensweise ist jedoch mit einer Reihe von Nachteilen verbunden: 1 . Die Schwingelemente an der Aufhängung des Federbalkens müssen aufgrund ihres geringen Einbauvolumens miniaturisiert sein. Die miniaturisierten Schwingelemente können nicht auf eine große Frequenz-Bandbreite ausgelegt werden. Zudem weisen derartige miniaturisierte Elemente störende Eigenresonanzen auf, die zu Fehlinterpretationen der Kontaktresonanzen führen.
2. Die Anregung über die Aufhängung des Federbalkens führt wegen Querkopplungs-Effekten auch zur Anregung von unerwünschten Biegeschwingungen des Federbalkens. Auch können somit gekoppelte, nichtlineare Moden auftauchen, die eine Analyse erschweren oder gar unmöglich machen.
3. Kommerziell erhältliche Geräte müssen aufwendig umgebaut werden, was sich nachteilhaft auf den Kostenaspekt auswirkt. Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Anregung freier Torsionsschwingungen in einem einseitig eingespannten, über eine Längserstreckung verfügenden Federbalken eines Rasterkraftmikroskops (RKM) derart anzugeben, dass die vorstehenden Nachteile vermieden werden. Insbesondere gilt es, das freie torsionale Resonanzverhalten des Federbalkens zu untersuchen mit möglichst einfachen und kostengünstigen Mitteln. Die hierzu zu treffenden Massnahmen sollen vorzugsweise bei allen bereits im Einsatz befindlichen Rasterkraftmikroskopen, die nach dem Reibkraftprinzip arbeiten, ohne großen Aufwand anwendbar sein.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung zu entnehmen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Anregung freier Torsionsschwingungen in einem einseitig eingespannten, über eine Längserstreckung verfügenden Federbalken eines Rasterkraftmikroskopes (RKM) derart ausgebildet, dass der einseitig eingespannte Federbalken beabstandet, also berührungsfrei gegenüber einer Oberfläche angeordnet wird, zwischen der und dem Federbalken ein akustisches Koppelmedium vorhanden ist. Vorzugsweise eignet sich hierzu ein gasförmiges Medium, im einfachsten Fall Umgebungsluft, bei normalen Druck- und Temperaturbedingungen. Die Oberfläche, über der der einseitig eingespannte Federbalken beabstandet angeordnet ist, wird in lateral zur Oberfläche orientierte und längs einer Schwingungsrichtung linear polarisierte Schwingungen versetzt. Hierbei ist die durch die Schwingungsrichtung der Oberfläche vorgegebene Polarisationsachse senkrecht zur Längserstreckung des Federbalkens orientiert.
Es hat sich herausgestellt, dass durch die vorstehend bezeichneten Lateralschwingungen der Oberfläche Scherkräfte über das akustische Koppelmedium zwischen der Oberfläche und dem einseitig eingespannten Federbalken auf diesen derart übertragen werden, so dass der Federbalken zur Ausführung von Torsionsschwingungen angeregt wird. Mit diesem Anregungsprozess ist es möglich, eine gezielte Anregung zu Torsionsschwingungen innerhalb des Federbalkens zu erzielen, auch wenn sich der Federbalken einige wenige Zentimeter, d.h. typischerweise bis maximal 5 bis 6 cm über der lateral schwingenden Oberfläche befindet und das zwischen der Oberfläche und dem Federbalken vorherrschende akustische Koppelmedium die Umgebungsluft ist
Wenngleich die zum Stand der Technik beschriebene kontaktlose Schwingungsanregung eines einseitig eingespannten Federbalkens zur Ausübung freier Biegeresonanzen mit Hilfe der weitgehend orthogonal auf den Federbalken einwirkenden Schallwellen aufgrund lokaler Schalldruckunterschiede, in leicht verständlicher Weise als probates Mittel zur Schwingungsanregung angesehen werden kann, vermögen sich die Wirkmechanismen, die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegen, nicht in naheliegender Weise zu erschließen. So ist es durchaus erstaunlich, dass ein zwischen der lateral schwingenden Oberfläche und dem Federbalken eingeschlossenes Luftpaket durch die Oberflächenschwingungen hervorgerufene Scherkräfte in einer derart wirkungsvollen Weise auf den beabstandet über der Oberfläche einseitig eingespannten Federbalken berührungslos zu übertragen vermag, so dass dieser zur Ausübung von Torsionsschwingungen mit detektierbarer Amplituden angeregt wird.
Auf der Basis dieser Erkenntnis ist es überdies vorzugsweise möglich, durch Erhöhungen der Luftdruckbedingungen oder durch Einsatz geeigneter alternative Gase, mit beispielsweise gegenüber Luftmolekülen schwereren Gasbestandteilen oder gar flüssigen Medien, den Schwingungsanregungsmechanis us zu verbessern, wenngleich das Anregen freier Torsions-Resonanzschwingungen innerhalb des einseitig eingespannten Federbalkens selbst unter normalen Luftdruckbedingungen möglich ist. Zur Anregung freier resonanter Torsionsschwingungen des Federbalkens ist es erforderlich, dass die in Lateralschwingungen versetzte Oberfläche innerhalb eines Schwingungsfrequenzbereiches durchgestimmt wird, in dem resonante Torsionsschwingungen des frei schwingenden Federbalkens enthalten sind. Im Falle einer resonanten Schwingungsanregung treten am Federbalken resonante Torsionsschwingungsüberhöhungen auf, die der weiteren Untersuchung zur Bestimmung der Scher-Kontaktsteifigkeit von Probenoberflächen zugrunde gelegt werden können.
Um den apparativen und verfahrenstechnischen Aufwand zur resonanten Anregung von Torsionsschwingungen in einem einseitig eingespannten Federbalken eines Rasterkraftmikroskops möglichst gering zu halten, kann bereits die zu untersuchende Probenoberfläche, deren Scher-Kontaktsteifigkeit und/oder deren Reibungseigenschaft es gilt zu ermitteln, als lateral schwingende Oberfläche verwendet werden, um die freien Torsions-Schwingungsresonanzen des Federbalkens zu ermitteln. Eine derartige Messanordnung ist dem im weiteren beschriebenen Ausführungsbeispiel im einzelnen zu entnehmen.
Zum Erfassen der von dem Federbalken ausgeführten Schwingungen, insbesondere der Torsionsschwingungen, dient in an sich bekannter Weise ein lichtunterstützter Messsensor, der das Schwingungsverhalten des Federbalkens berührungslos zu detektieren vermag, wie es bereits aus der an sich bekannten Rastermikroskop- Technik bekannt ist. Alternativ bietet sich zum Erfassen des Schwingungsverhaltens des Federbalkens, d.h. im Hinblick auf Amplitude, Phase oder Schwingungsrichtung der Einsatz eines aus piezoelektrischem Material gefertigten Federbalkens an, dessen durch Deformation hervorgerufenen elektrischen Spannungsvariationen durch einen geeigneten Spannungsabgriff erfasst und entsprechend ausgewertet werden können.
Sind die freien Torsions-Schwingungsresonanzen in der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Weise ermittelt worden, so ist es im weiteren möglich, durch bloßes Absenken des Federbalkens auf die zu untersuchende Probenoberfläche derart, dass die am Federbalken angeordnete Messspitze in Kontakt mit der Probenoberfläche gerät, die Messung der Scher-Kontaktsteifigkeit bzw. die Messung weiterer tribologischer Eigenschaften der Probenoberfläche durchzuführen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisierter Messaufbau zur anregungsfreier
Torsionsschwingungen eines Federbalkens sowie
Fig. 2 Darstellung eines Messdiagramms.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Fig. 1 zeigt eine schematisierte Zusammenstellung aller Komponenten zur Anregung eines einseitig eingespannten Federbalkens 3, der an einer Aufhängung 4 angebracht ist, zur Ausübung freier Torsions-Schwingungsresonanzen.
Auf einer geeignet ausgebildeten Unterlage bzw. Halterung 6 ist ein Scherschwinger- Element 1 befestigt, das vorzugsweise aus piezoelektrischem Material gefertigt ist und mittels geeigneter elektrischer Anregung derart in Schwingungen versetzbar ist, dass die Oberfläche 8 des Scherschwinger-Elementes 1 in laterale längs einer Schwingungsrichtung polarisierte Schwingungen versetzt wird. Auf der Oberfläche 8 des Scherschwinger-Elementes 1 ist eine zu untersuchende Probe 2 mittels eines geeigneten Koppelmittels (7), beispielsweise eine Klebstoffschicht, aufgebracht, die gleichsam der Oberfläche 8 in laterale, linear polarisierte Schwingungen (siehe Pfeildarstellung in Fig. 1) angeregt wird. Beabstandet von der Probenoberfläche der Probe 2 ist der Federbalken 3, an dessen freiem Ende eine Messspitze angebracht ist, positioniert, der einseitig mit einer Aufhängung 4 gekoppelt ist. Typischerweise weist der Federbalken eine Länge von bis zu 600 μm und eine Breite von bis zu 80 μm auf und ist in einem Abstand von wenigen Mikrometern bis zu einigen Zentimetern (maximal 4 bis 6 cm) von der Probenoberfläche der Probe 2 beabstandet angebracht. Der Federbalken 3 ist dabei derart ausgerichtet, dass seine Längsachse senkrecht zur Schwingungsrichtung oder Polarisation des Scherschwinger-Elementes 1 zeigt. Rein optional kann die Aufhängung 4 zusätzlich mit einem Dickenschwinger 5 versehen sein, der den Federbalken 3 für kombinierte Untersuchungen in Biegeschwingungen versetzen kann.
Aufgrund des eingangs geschilderten Effektes der Übertragung von Scherkräften über die zwischen der Probenoberfläche und dem Federbalken vorhandene Luft, wird der Federbalken 3 über die in der Ebene schwingende Oberfläche der Probe 2 sowie des Scherschwinger-Elementes 1 in Torsionsschwingungen versetzt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist zumindest vorgesehen, dass die Oberfläche 8 des Scherschwinger-Elementes 1 größer ist als die Projektion jener Fläche auf die Oberfläche 8, die von dem Federbalken 3 überdeckt wird. Ebenso ist es vorteilhaft, die Probenoberfläche der Probe 2 größer zu bemessen, als die senkrechte Projektion der Fläche des Federbalkens über der Probenoberfläche der Probe 2. Auch ist es vorteilhaft die laterale Probendimension 2 kleiner als die Oberfläche 8 des Scherschwinger-Elementes zu wählen, wie es auch in Figur 1 dargestellt ist, sodass sich die Probe 2 mit ihren Probenseitenwänden über die Oberfläche 8 erhebt.
Nicht in Fig. 1 dargestellt ist das Messsensorsystem, mit dem das Schwingungsverhalten des Federbalkens 3 erfasst wird. Hierzu wird auf die an sich bekannte Technik zur berührungslosen Erfassung des Schwingungsverhaltens des Federbalkens 3 verwiesen, beispielsweise unter Verwendung eines lichtunterstützten Messsensors. Wird das Scherschwinger-Element 1 mit einer sinusförmigen elektrischen Spannung mit konstanter Amplitude angeregt und zugleich die Anregungsfrequenz kontinuierlich durchfahren, während die Amplitude der Torsionsschwingung des Federbalkens aufgezeichnet wird, so erhält man ein Schwingungsspektrum, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, längs dessen Abszisse die Schwingungsfrequenzen und längs dessen Ordinate die Signalamplituden aufgetragen sind. So zeigt das Schwingungsspektrum diskrete Resonanzen, deren Lage für einen Federbalken 3 mit bestimmten geometrischen Abmessungen und einem bestimmten Schubmodul charakteristisch sind.
Aus den freien Torsionsresonanzen, insbesondere in Verbindung mit den freien Biegeresonanzen, die durch den Dickenschwinger 5 induziert werden können - vorzugsweise erfolgt dies zeitlich getrennt von der Erfassung der Torsionsresonanzen - ist es möglich, die effektiven geometrischen Daten des Federbalkens 3 zu gewinnen, die benötigt werden, um quantitative Aussagen über elastische und/oder Reibungseigenschaften der zu untersuchenden Probe 2 zu gewinnen.
Überdies kann mit Hilfe der freien Torsions- und Biegemoden in kürzester Zeit überprüft werden, ob der Federbalken 3 dem allgemeinen Modell des Biegebalkens entspricht und für quantitative Messungen überhaupt eingesetzt werden kann.
Auch kann die freie Resonanzfrequenz dazu verwendet werden, Informationen über den Federbalken wie z. B. dessen Geometrie, Elastizität, vertikale und laterale Federkonstante zu erhalten. Bezugszeichenliste
Scherschwinger-Element Probe Federbalken Aufhängung Dickenschwingung Halterung Koppelmittel Oberfläche des Scherschwinger-Elementes

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Anregung freier Torsionsschwingungen in einem einseitig eingespannten, über eine Längserstreckung verfügenden Federbalken eines Rasterkraftmikroskops (RKM), dadurch gekennzeichnet, dass der einseitig eingespannte Federbalken beabstandet über eine Oberfläche angeordnet wird, zwischen der und dem Federbalken ein akustisches Koppelmedium vorhanden ist, dass die Oberfläche in lateral zur Oberfläche orientierte und längs einer
Schwingungsrichtung linear polarisierte Schwingungen versetzt wird, und dass die durch die Schwingungsrichtung vorgegebene Polarisationsachse senkrecht zur Längserstreckung des Federbalkens orientiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als akustisches Koppelmedium ein gasförmiges Koppelmedium verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als gasförmiges Medium Luft, vorzugsweise unter atmosphärischen Normalbedingungen verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche in Schwingungen versetzt wird, deren Schwingungsfrequenz innerhalb eines Frequenzbereiches durchgestimmt wird, in dem resonante Torsionsschwingungen des frei schwingenden Federbalkens auftreten.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Federbalken von der schwingenden Oberfläche in einem Abstand von bis zu einigen cm beabstandet wird, wobei der Federbalken eine Länge von bis zu 600 μm und eine Breite von bis zu 80 μm aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als schwingende Oberfläche eine mit Hilfe des Rasterkraftmikroskops zu untersuchende Probenoberfläche verwendet wird, die zur Schwingungsanregung mit einem Scherschwingerelement gekoppelt wird und über der der mit einer Messspitze ausgestattete Federbalken positioniert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Federbalken durch von der Oberfläche in das akustische Koppelmedium abgestrahlte Scherwellen berührungslos zum Schwingen angeregt wird, dessen Schwingungen sensoriell erfasst werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen des Federbalkens nach Amplitude, Phase und/oder der Schwingungsrichtung mit Hilfe eines lichtunterstützten Messsensors berührungslos erfasst werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen des Federbalkens nach Amplitude, Phase und/oder Schwingungsrichtung durch Verwendung eines piezoelektrischen Federbalkens erfasst werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Federbalken und die Oberfläche derart dimensioniert werden, dass der Federbalken eine in Projektion auf die Oberfläche die Oberfläche bedeckende Fläche aufweist, die zumindest am freien Ende des Federbalkens allseits oder wenigstens teilweise von der Oberfläche umgeben wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erfassen des freien Torsions- Schwingungsverhalten des Federbalkens die Messspitze des Federbalkens zur Messung der Scher-Kontaktsteifigkeit und/oder der tribologischen Eigenschaften der Probenoberfläche auf diese abgesenkt wird.
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