FR3134185A1 - METHOD FOR DETECTING THE POINT-SURFACE INTERACTION FORCE WITHOUT LOSS OF SENSITIVITY TO INCREASE THE ACQUISITION BANDWIDTH OF ATOMIC FORCE MICROSCOPY MEASUREMENTS IN NON-CONTACT MODE - Google Patents

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Ludovic BELLON
Jorge PEREDA
Laurent NONY
Emmanuel TRIZAC
David GUERY-ODELIN
Marie CHUPEAU
Artyom PETROSYAN
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Aix Marseille Universite
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Claude Bernard Lyon 1 UCBL
Ecole Normale Superieure de Lyon
Universite Toulouse III Paul Sabatier
Universite Paris Saclay
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/32AC mode

Abstract

Procédé de mesure (100) de la force d’interaction entre une portion (3) et une pointe (10) d’une sonde de force (9) d’un AFM (1) solidaire d’un moyen d’excitation (12), le moyen d’excitation (12) étant apte à vibrer en fonction d’un signal d’excitation (e(t)), le procédé comprenant une étape de mise en excitation (112) de la sonde de force, un signal d’excitation étant appliqué configuré pour engendrer, une déflexion libre (s0(t)) formant un signal sinusoïdal modulé en amplitude par une impulsion, la sonde de force entrant en résonance à une fréquence de résonance libre (f0), une étape de mesure (113) de la déflexion (s(t)), la sonde de force entrant en résonance à une fréquence de résonance d’interaction (fT), une étape de traitement (114) dans laquelle est évalué un décalage fréquentiel (ΔfT), différence entre la fréquence de résonance d’interaction de la sonde de force, et la fréquence de résonance libre. Figure pour l’abrégé : [Fig. 3]Method for measuring (100) the interaction force between a portion (3) and a tip (10) of a force probe (9) of an AFM (1) secured to an excitation means (12 ), the excitation means (12) being capable of vibrating as a function of an excitation signal (e(t)), the method comprising a step of energizing (112) the force probe, a signal excitation being applied configured to generate, a free deflection (s0(t)) forming a sinusoidal signal modulated in amplitude by a pulse, the force probe entering into resonance at a free resonance frequency (f0), a measurement step (113) of the deflection (s(t)), the force probe entering into resonance at an interaction resonance frequency (fT), a processing step (114) in which a frequency shift (ΔfT) is evaluated, difference between the interaction resonance frequency of the force probe, and the free resonance frequency. Figure for abstract: [Fig. 3]

Description

PROCEDE DE DETECTION DE LA FORCE D’INTERACTION POINTE-SURFACE SANS PERTE DE SENSIBILITE POUR AUGMENTER LA BANDE PASSANTE D’ACQUISITION DES MESURES EN MICROSCOPIE A FORCE ATOMIQUE EN MODE NON-CONTACTMETHOD FOR DETECTING THE POINT-SURFACE INTERACTION FORCE WITHOUT LOSS OF SENSITIVITY TO INCREASE THE ACQUISITION BANDWIDTH OF ATOMIC FORCE MICROSCOPY MEASUREMENTS IN NON-CONTACT MODE INTRODUCTIONINTRODUCTION

L’invention a trait au domaine des microscopes à force atomique, et plus particulièrement à un procédé permettant d'accroître la vitesse d’acquisition des images tout en conservant une sensibilité de détection de la force d'interaction pointe-surface égale ou supérieure à celles des techniques les plus avancées dans le domaine telles qu'elles sont décrites ci-après.The invention relates to the field of atomic force microscopes, and more particularly to a method making it possible to increase the speed of image acquisition while maintaining a sensitivity for detecting the tip-surface interaction force equal to or greater than those of the most advanced techniques in the field as described below.

Au même titre que le microscope à effet tunnel, le microscope à force atomique (« Atomic Force Microscope », AFM) appartient à la famille des microscopes à sonde locale, c’est-à-dire des microscopes utilisant une sonde pour réaliser des mesures physico-chimiques à l’échelle nanométrique, voire atomique, sur la surface d’un échantillon.Like the scanning tunneling microscope, the atomic force microscope (“Atomic Force Microscope”, AFM) belongs to the family of local probe microscopes, that is to say microscopes using a probe to carry out measurements. physicochemical at the nanometric, or even atomic, scale on the surface of a sample.

Plus particulièrement, les microscopes à force atomique sont munis d’une sonde de force micrométrique, dotée d’une pointe de dimensions nanométriques sensible à la force d’interaction qu’elle développe localement avec la surface. Un moyen d’excitation apte à mettre la sonde de force en oscillation et à la déplacer sur la surface de l’échantillon ainsi qu’un moyen de détection des forces d’interaction pointe-surface permettent de former, entre autres, une image topographique de la surface. Un module électronique permet de réaliser la commande du moyen d’excitation et de balayage de la surface.More particularly, atomic force microscopes are equipped with a micrometric force probe, equipped with a tip of nanometric dimensions sensitive to the interaction force that it develops locally with the surface. An excitation means capable of putting the force probe into oscillation and moving it on the surface of the sample as well as a means of detecting the tip-surface interaction forces make it possible to form, among other things, a topographical image of the surface. An electronic module makes it possible to control the surface excitation and scanning means.

Les expressions « sonde de force » , « sonde » font identiquement référence dans toute la demande au dispositif mécanique supportant la pointe de l’AFM, ou à la pointe seule.The expressions “force probe”, “probe” refer identically throughout the application to the mechanical device supporting the tip of the AFM, or to the tip alone.

L’expression « force d’interaction », fait référence dans toute la demande à la résultante verticale des forces d’interaction pointe-surface telles que représentées en issues de potentiels interatomiques attractifs ou répulsifs, par exemple de type Lennard-Jones, de courte ou longue portée, lorsque la pointe d’un AFM est en regard d’une portion d’un échantillon.The expression "interaction force" refers throughout the application to the vertical resultant of the tip-surface interaction forces as represented in from attractive or repulsive interatomic potentials, for example of the Lennard-Jones type, of short or long range, when the tip of an AFM is facing a portion of a sample.

L’expression « portion d’un échantillon » fait référence dans toute la demande à une surface de l’échantillon suffisamment petite pour être considérée comme un point de mesure unique de la force d’interaction pointe-surface (dénommé par la suite « pixel »). Les microscopes à force atomique permettent ainsi de déterminer la force d’interaction locale entre la pointe et l’échantillon, rendant possible la réalisation d’une image de la surface de l’échantillon à l’échelle atomique. L’image est constituée d’une succession de pixels acquis périodiquement lors du balayage de la surface et dont le contraste reflète les valeurs de la force d’interaction pointe-surface locale.The expression "portion of a sample" refers throughout the application to a surface of the sample small enough to be considered as a single point of measurement of the tip-surface interaction force (hereinafter referred to as "pixel "). Atomic force microscopes thus make it possible to determine the local interaction force between the tip and the sample, making it possible to produce an image of the surface of the sample at the atomic scale. The image is made up of a succession of pixels acquired periodically during scanning of the surface and whose contrast reflects the values of the local tip-surface interaction force.

Dans la suite de la demande, on caractérise la sonde de force par sa fréquence de résonance propre f0(unités : Hz) et sa raideur propre k0(unités : N/m) telles que mesurées à une distance de l’échantillon pour laquelle les forces d’interaction qui se développent entre elles ne sont pas détectables par le dispositif de détection de l’AFM, typiquement plusieurs centaines de nanomètres. Dans un tel cas, la pointe est définie dans toute la suite la description, comme étant libre.In the remainder of the application, the force probe is characterized by its natural resonance frequency f 0 (units: Hz) and its natural stiffness k 0 (units: N/m) as measured at a distance from the sample for which the interaction forces which develop between them are not detectable by the AFM detection device, typically several hundred nanometers. In such a case, the tip is defined throughout the description as being free.

Typiquement, les microscopes à force atomique présentent trois modes de fonctionnement différents : le mode contact, le mode de modulation d’amplitude, ou « contact intermittent », et le mode de modulation de fréquence, ou « AFM non-contact ».Typically, atomic force microscopes feature three different modes of operation: contact mode, amplitude modulation mode, or “intermittent contact,” and frequency modulation mode, or “non-contact AFM.”

En mode dit « contact », la pointe est en permanence en contact avec la surface de l’échantillon. Une force répulsive se crée entre la surface et la pointe, provoquant la déflexion de la sonde de force. Pendant le balayage de la surface, une pluralité de telles déflexions sont détectées. Lesdites déflexions sont reliées aux variations topographiques de la surface de l’échantillon. Il est commun de réaliser le balayage de l’échantillon en ajustant en continu la distance entre la pointe et la surface, de façon à garder la force d’interaction constante. Cette distance pointe-surface, en fonction de la position horizontale de la sonde, reproduit ainsi la topographie de l’échantillon mesurée à interaction constante. L’asservissement à force constante est réalisé à l’aide d’une boucle de rétroaction, typiquement de type proportionnelle-intégrale, travaillant autour d’une consigne de force choisie par l’opérateur.In so-called “contact” mode, the tip is permanently in contact with the surface of the sample. A repulsive force is created between the surface and the tip, causing the force probe to deflect. During scanning of the surface, a plurality of such deflections are detected. Said deflections are linked to the topographic variations of the surface of the sample. It is common to scan the sample by continuously adjusting the distance between the tip and the surface, so as to keep the interaction force constant. This tip-surface distance, depending on the horizontal position of the probe, thus reproduces the topography of the sample measured at constant interaction. Constant force control is carried out using a feedback loop, typically of the proportional-integral type, working around a force setpoint chosen by the operator.

En mode dit de « modulation d’amplitude » (« Amplitude Modulation AFM », AM-AFM), ou de « contact intermittent » («tapping»), la sonde est mise en oscillation par une excitation sinusoïdale à une fréquence prédéterminée fixe, proche de sa fréquence de résonance propre f0, et à une amplitude prédéterminée. La pointe vient en contact intermittent avec la surface. La force répulsive qui se développe au moment de chaque contact est à l’origine de la réduction d’amplitude des oscillations. Cette réduction d’amplitude est mesurée par le système de détection de l’AFM, qui permet d’obtenir la topographie locale de la surface pendant le balayage. À nouveau, il est commun de réaliser une image à interaction constante, et donc d’asservir la distance pointe-échantillon à une consigne de réduction d’amplitude choisie par l’opérateur.In so-called “amplitude modulation” (“Amplitude Modulation AFM”, AM-AFM), or “intermittent contact” (“ tapping ”) mode, the probe is set into oscillation by sinusoidal excitation at a fixed predetermined frequency, close to its natural resonance frequency f 0 , and at a predetermined amplitude. The tip comes into intermittent contact with the surface. The repulsive force which develops at the moment of each contact is at the origin of the reduction in amplitude of the oscillations. This amplitude reduction is measured by the AFM detection system, which provides the local topography of the surface during scanning. Again, it is common to produce an image with constant interaction, and therefore to control the tip-sample distance to an amplitude reduction setpoint chosen by the operator.

Le mode dit de « modulation de fréquence » (« Frequency Modulation AFM », FM-AFM), ou d’AFM non-contact (nc-AFM), est une alternative au mode AM-AFM pour palier ses limitations intrinsèques (détaillées ci-après). Le mode nc-AFM est à ce jour généralement exploité avec des AFM opérant dans des conditions d’ultra-vide (pression ~10-10mbar), à basse température (hélium liquide, 4 K) ou à température ambiante. En nc-AFM, la sonde de force est mise en oscillation à sa fréquence de résonance propre f0. Au voisinage de la surface, c’est-à-dire à une distance de l’ordre de 100 nm et en deçà, les forces d’interaction attractives qui se développent entre la pointe et la surface diminuent la fréquence de résonance propre de la sonde en interaction avec la surface. La fréquence de résonance modifiée est ainsi désignée dans toute la suite de la demande par fréquence de résonance fT.The so-called “frequency modulation” mode (“Frequency Modulation AFM”, FM-AFM), or non-contact AFM (nc-AFM), is an alternative to the AM-AFM mode to overcome its intrinsic limitations (detailed below). -After). The nc-AFM mode is currently generally used with AFMs operating in ultra-high vacuum conditions (pressure ~10 -10 mbar), at low temperature (liquid helium, 4 K) or at room temperature. In nc-AFM, the force probe is oscillated at its natural resonance frequency f 0 . Near the surface, that is to say at a distance of the order of 100 nm and below, the attractive interaction forces which develop between the tip and the surface reduce the natural resonance frequency of the probe interacting with the surface. The modified resonance frequency is thus designated throughout the remainder of the application by resonance frequency f T.

Le décalage en fréquence en interaction ΔfT(unités : Hz) résultant s’exprime comme suit:The resulting interaction frequency shift Δf T (units: Hz) is expressed as follows:

, ,

Un tel décalage de fréquence en interaction ΔfTest détectable depuis un relevé au cours du temps de la déflexion de la pointe en interaction avec la surface. Une telle déflexion est désignée dans toute la suite de la description par déflexion en interaction s(t). La mesure du décalage de fréquence en interaction ΔfT, permet en mode nc-AFM, de déterminer par l’intermédiaire de la déflexion en interaction s(t), la force d’interaction pointe-surface avec une précision de quelques piconewtons et une résolution spatiale de l’ordre de l’angström (résolution atomique). Il est connu de réaliser une image à interaction constante, et donc d’asservir la distance pointe-échantillon à une consigne décalage en fréquence en interaction ΔfTchoisie par l’opérateur.Such an interaction frequency shift Δf T is detectable from a measurement over time of the deflection of the tip in interaction with the surface. Such a deflection is designated throughout the remainder of the description by interaction deflection s(t). Measuring the interaction frequency shift Δf T allows, in nc-AFM mode, to determine, via the interaction deflection s(t), the tip-surface interaction force with a precision of a few piconewtons and a spatial resolution of the order of angstrom (atomic resolution). It is known to produce an image with constant interaction, and therefore to control the tip-sample distance to an interaction frequency offset setpoint Δf T chosen by the operator.

L’invention concerne plus particulièrement le domaine de la microscopie à force atomique en mode non-contact.The invention relates more particularly to the field of atomic force microscopy in non-contact mode.

Dans toute la suite de la demande, l’on désigne par AFM, microscopie, ou microscope à force atomique, un AFM fonctionnant en mode non-contact.Throughout the rest of the application, we designate by AFM, microscopy, or atomic force microscope, an AFM operating in non-contact mode.

Typiquement, un AFM comprend une unité de contrôle électronique incluant une boucle à verrouillage de phase (« Phase-Locked Loop », PLL). La PLL permet :

  1. une détection continue de la fréquence de résonance en interaction fT,décalée par l’interaction pointe-surface
  2. un calcul du décalage en fréquence en interaction ΔfT
  3. un maintien de l’excitation de la sonde de force à la fréquence de résonance en interaction fT.
Typically, an AFM includes an electronic control unit including a Phase-Locked Loop (PLL). The PLL allows:
  1. continuous detection of the interacting resonance frequency f T, shifted by the tip-surface interaction
  2. a calculation of the interaction frequency shift Δf T
  3. maintaining the excitation of the force probe at the interacting resonance frequency f T .

Pendant l’approche de la pointe vers la surface, la PLL produit continûment un signal d’excitation de la sonde (ou signal d’entrée), e(t) (unités : m), sous la forme d’un signal sinusoïdal à la fréquence de résonance en interaction fT(unités : Hz) et d’amplitude Ae(unités : m), noté :As the tip approaches the surface, the PLL continuously produces a probe excitation signal (or input signal), e(t) (units: m), in the form of a sinusoidal signal at the interacting resonance frequency f T (units: Hz) and amplitude A e (units: m), noted:

Le signal d’entrée e(t) engendre une déflexion en interaction s(t) sous la forme :The input signal e(t) generates an interacting deflection s(t) in the form:

où As(unités : m) est l’amplitude de la déflexion en interaction et un déphasage statique φsde la sonde de force 9 par rapport au signal d’entrée e(t)se trouvant dans un intervalle appartenant à [-180° ;0°].where A s (units: m) is the amplitude of the interacting deflection and a static phase shift φ s of the force probe 9 relative to the input signal e(t) lying in an interval belonging to [-180 °;0°].

L’amplitude de la déflexion Aset le déphasage statique φssont généralement mesurés par une détection synchrone intégrée dans la PLL et synchronisée sur la fréquence de résonance en interaction fT. Si l’influence des forces d’interaction est faible (pointe libre), l’excitation se fait à la fréquence de résonance propre f0de la sonde libre. La réponse de la sonde de force 9 est alors en quadrature retard par rapport à l’excitation, φs~90°. En présence d’une interaction avec la surface, le décalage en fréquence en interaction ΔfTest non nul. Si la fréquence de pilotage fdrestait fixe, il en résulterait une phase φsdifférente de -90°.The amplitude of the deflection A s and the static phase shift φ s are generally measured by a synchronous detection integrated into the PLL and synchronized to the interacting resonance frequency f T . If the influence of the interaction forces is weak (free tip), the excitation takes place at the natural resonance frequency f 0 of the free probe. The response of the force probe 9 is then in quadrature delay with respect to the excitation, φ s ~90°. In the presence of an interaction with the surface, the interaction frequency shift Δf T is non-zero. If the driving frequency f d remained fixed, this would result in a phase φ s different from -90°.

La PLL a notamment pour fonction de détecter continûment le déphasage statique φset d’ajuster en continu la fréquence de résonance en interaction fTpour verrouiller le déphasage statique φsà -90°. Si aucun processus dissipatif ne se développe entre la pointe et la surface, ce que l’on présuppose dans toute la suite de la demande, l’amplitude de l’oscillation Asreste celle de la résonance, maximale, pendant l’approche ou le balayage de la surface par la pointe.The PLL has the particular function of continuously detecting the static phase shift φ s and of continuously adjusting the interacting resonance frequency f T to lock the static phase shift φ s at -90°. If no dissipative process develops between the tip and the surface, which is presupposed throughout the rest of the request, the amplitude of the oscillation A s remains that of the resonance, maximum, during the approach or scanning the surface with the tip.

Pour des amplitudes d’oscillation de l’ordre et inférieures à 100 pm, il peut être considéré que le décalage en fréquence en interaction ΔfTdétecté par la PLL est proportionnel au gradient vertical de la force d’interaction pointe-surface Fint. Cette dernière quantité figure également la variation de la raideur en interaction kTde la sonde par rapport à sa raideur propre k0, ce qui est formalisé par les équations:For oscillation amplitudes of the order and less than 100 pm, it can be considered that the interaction frequency shift ΔfTdetected by the PLL is proportional to the vertical gradient of the tip-surface interaction force Fint. This last quantity also represents the variation of the stiffness in interaction kTof the probe in relation to its own stiffness k0, which is formalized by the equations:

où ΔkT(unités : N/m) est la variation de raideur en interaction, correspondant à l’écart entre la raideur de la sonde en interaction avec la surface kT, et celle de la sonde libre k0.where Δk T (units: N/m) is the variation in interaction stiffness, corresponding to the difference between the stiffness of the probe interacting with the surface k T , and that of the free probe k 0 .

La variation de raideur ΔkTest représentée sous la force d’interaction Fintdans la . Dans l’équation précédente, le signe « - » traduit le fait que pour une force attractive, le décalage en fréquence en interaction ΔfT, comme celui de la raideur, est négatif, alors que la sonde de force est dans une situation de « non-contact » avec la portion de surface à mesurer.The variation in stiffness Δk T is represented under the interaction force F int in the . In the previous equation, the "-" sign reflects the fact that for an attractive force, the interaction frequency shift Δf T , like that of the stiffness, is negative, while the force probe is in a situation of " non-contact” with the portion of surface to be measured.

La mesure du décalage de fréquence en interaction ΔfTpar la PLL permet donc de mesurer indirectement la force d’interaction Fintet de fixer sa valeur comme point de fonctionnement de la régulation de distance pointe-surface pendant le balayage de la surface pour former une image en AFM non-contact. Une image topographique en nc-AFM est donc représentative d’une cartographie à iso décalage de fréquence de la surface, par conséquent « iso-gradient de force ».Measuring the interaction frequency shift Δf T by the PLL therefore makes it possible to indirectly measure the interaction force F int and to set its value as the operating point of the tip-surface distance regulation during scanning of the surface to form a non-contact AFM image. A topographic image in nc-AFM is therefore representative of an iso-frequency shift mapping of the surface, therefore “iso-gradient of force”.

S’il est aujourd’hui possible avec des AFM commerciaux utilisés en mode nc-AFM de détecter des forces de l’ordre de quelques dizaines de piconewtons et des résolutions spatiales de l’ordre de l’angström, une limitation majeure reste la vitesse d’acquisition des images. Avec les sondes commerciales disponibles dont les fréquences de résonance de résonance propres varient dans une plage allant d’environ 10 kHz à 300 kHz, le temps d’acquisition d’une seule image est de l’ordre de 30 minutes. Une campagne de mesure, qui requiert l’acquisition de plusieurs dizaines d’images, peut donc prendre jusqu’à plusieurs jours.If it is today possible with commercial AFMs used in nc-AFM mode to detect forces of the order of a few tens of piconewtons and spatial resolutions of the order of an angstrom, a major limitation remains the speed image acquisition. With available commercial probes whose natural resonance frequencies vary in a range from approximately 10 kHz to 300 kHz, the acquisition time for a single image is on the order of 30 minutes. A measurement campaign, which requires the acquisition of several dozen images, can therefore take up to several days.

Pour la réalisation de mesures à l’échelle atomique, c’est un intervalle de temps long et contraignant pour l’expérimentateur. Sur un tel intervalle de temps, il est recherché que la température de l’instrument soit maintenue la plus constante possible avec une grande précision. En outre, afin de limiter les effets de dérive de la position de l’échantillon, les expérimentateur cherchent à ce que l’instrument présente une grande stabilité mécanique.For carrying out measurements on the atomic scale, this is a long and restrictive time interval for the experimenter. Over such a time interval, it is desired that the temperature of the instrument be kept as constant as possible with great precision. In addition, in order to limit the effects of drift in the position of the sample, the experimenters seek to ensure that the instrument has high mechanical stability.

L’origine du temps long d’acquisition d’un pixel provient d’un effet lié à la dynamique de la pointe. Le temps caractéristique d’équilibrage τ0(unité : s) de la sonde de force sous excitation harmonique s’estime comme suit :The origin of the long acquisition time of a pixel comes from an effect linked to the dynamics of the tip. The characteristic equilibration time τ 0 (unit: s) of the force probe under harmonic excitation is estimated as follows:

où Q0(unités : adimensionnel) est le facteur de qualité de la sonde, définissant la façon dont elle dissipe l’énergie qui lui est apportée par l’excitation dans le milieu environnant.where Q 0 (units: dimensionless) is the quality factor of the probe, defining the way in which it dissipates the energy supplied to it by excitation in the surrounding environment.

Plus le facteur de qualité Q0est élevé, plus l’énergie dissipée par la sonde dans le milieu environnant est faible, plus son temps d’équilibrage d’un état à un autre est long, et inversement.The higher the quality factor Q 0 , the lower the energy dissipated by the probe in the surrounding environment, the longer its equilibration time from one state to another, and vice versa.

Ceci permet de définir un critère d’adiabaticité pour la sonde de force : toute mesure de force réalisée sur un intervalle de temps égal ou supérieur à τ0pourra être considérée comme représentative d’un état stationnaire de la sonde, donc conforme. Selon un exemple de sonde: f0~ 100 kHz, placée dans des conditions atmosphériques : Q0~ 400, alors τ0~ 8 ms. Avec de telles valeurs, l’unité électronique de contrôle a besoin d’intégrer la mesure de la force d’interaction Fintconduisant à un pixel de l’image sur une durée égale ou supérieure au temps d’équilibrage de la sonde de force afin de respecter le critère d’adiabaticité précité et de permettre une mesure conforme de la force d’interaction Finten ce point. Pour une image de résolution de 512x512 pixels, le temps total d’acquisition de l’image, produit du nombre de pixel et du temps caractéristique d’équilibrage τ0, est estimé à environ 35 min. En plaçant une sonde identique dans des conditions d’ultra-vide, où la dissipation est rendue très faible par l’absence d’air, le facteur de qualité atteint Q0= 40000 voire au-delà. Dans ce cas, le temps d’équilibrage τ0est estimé à 800 ms et le temps d’acquisition est de 3500 min soit 58 h.This makes it possible to define an adiabaticity criterion for the force probe: any force measurement carried out over a time interval equal to or greater than τ 0 could be considered as representative of a stationary state of the probe, therefore compliant. According to an example of a probe: f 0 ~ 100 kHz, placed in atmospheric conditions: Q 0 ~ 400, then τ 0 ~ 8 ms. With such values, the electronic control unit needs to integrate the measurement of the interaction force F int leading to a pixel of the image over a duration equal to or greater than the balancing time of the force probe in order to respect the aforementioned adiabaticity criterion and to allow a consistent measurement of the interaction force F int at this point. For an image with a resolution of 512x512 pixels, the total image acquisition time, product of the number of pixels and the characteristic equilibration time τ 0 , is estimated at approximately 35 min. By placing an identical probe in ultra-high vacuum conditions, where dissipation is made very low by the absence of air, the quality factor reaches Q 0 = 40,000 or even beyond. In this case, the equilibration time τ 0 is estimated at 800 ms and the acquisition time is 3500 min or 58 h.

Une telle valeur n’a pas de sens du point de vue du temps de la mesure expérimentale. On pourrait donc penser qu’il n’est pas envisageable de réaliser une mesure en AFM non-contact sous ultra-vide. Même s’il est bien illustratif du problème du temps long d’acquisition des images en AFM, le raisonnement précédent n’est en fait valide que pour le mode de contact intermittent. Il est vrai qu’à ce jour, il est impossible de réaliser une image en contact intermittent sous ultra-vide. En revanche, le raisonnement est incorrect pour le mode non-contact. On peut en effet montrer, que l’élément limitant en nc-AFM n’est pas le temps d’équilibrage de la sonde, mais le temps mis par la PLL de l’unité de contrôle électronique pour détecter le signal correspondant au décalage de fréquence ΔfT. Selon les sondes utilisées, il faut envisager de détecter des décalages en fréquence ΔfTdans une plage allant de -1 Hz à -100 Hz et ce, avec la meilleure résolution fréquentielle possible (0,1 Hz et en-deçà). En termes d’ordre de grandeur, ceci suppose un temps caractéristique de réponse de la PLL de l’ordre de 10 ms par pixel. On se confronte donc en nc-AFM, à des contraintes temporelles sensiblement comparables à celles du mode de contact intermittent sous conditions atmosphériques.Such a value does not make sense from the point of view of experimental measurement time. One might therefore think that it is not possible to carry out a non-contact AFM measurement under ultra-high vacuum. Even if it clearly illustrates the problem of the long image acquisition time in AFM, the preceding reasoning is in fact only valid for the intermittent contact mode. It is true that to date, it is impossible to produce an intermittent contact image under ultra-high vacuum. On the other hand, the reasoning is incorrect for the non-contact mode. We can in fact show that the limiting element in nc-AFM is not the balancing time of the probe, but the time taken by the PLL of the electronic control unit to detect the signal corresponding to the offset of frequency Δf T. Depending on the probes used, it is necessary to consider detecting frequency shifts Δf T in a range from -1 Hz to -100 Hz, with the best possible frequency resolution (0.1 Hz and below). In terms of order of magnitude, this assumes a characteristic response time of the PLL of the order of 10 ms per pixel. We are therefore confronted in nc-AFM with temporal constraints substantially comparable to those of the intermittent contact mode under atmospheric conditions.

Réduire le temps d’acquisition des mesures en nc-AFM, donc augmenter la bande passante d’acquisition (par exemple en augmentant la vitesse de balayage des images), sans que cela occasionne une perte de sensibilité à la détection de la force d’interaction Fint, autrement dit sans perte de résolution spatiale dans la formation des images, voire avec gain de sensibilité, constitue un défi technique auquel l’invention se propose de répondre.Reduce the acquisition time of measurements in nc-AFM, therefore increase the acquisition bandwidth (for example by increasing the scanning speed of the images), without this causing a loss of sensitivity to the detection of the force of interaction F int , in other words without loss of spatial resolution in the formation of images, or even with gain in sensitivity, constitutes a technical challenge to which the invention aims to respond.

Un premier objet de l’invention est de proposer un procédé de mesure de la force d’interaction entre un échantillon et une sonde de force d’un AFM, le procédé permettant de réduire le temps de mesure par rapport aux procédés connus, sans que la précision de mesure en soit affectée.A first object of the invention is to propose a method for measuring the interaction force between a sample and a force probe of an AFM, the method making it possible to reduce the measurement time compared to known methods, without the measurement accuracy is affected.

Un deuxième objet de l’invention est de proposer un procédé de mesure permettant d’améliorer la qualité de mesure de la force d’interaction pointe-surface, par réduction du bruit.A second object of the invention is to propose a measurement method making it possible to improve the quality of measurement of the tip-surface interaction force, by reducing noise.

Un troisième objet de l’invention est de proposer un tel procédé réalisable sans qu’il soit nécessaire de modifier sensiblement la structure générale de l’AFM.A third object of the invention is to propose such a method which can be carried out without it being necessary to significantly modify the general structure of the AFM.

Un quatrième objet de l’invention est de proposer un tel procédé qui maintienne un certain niveau de facilité d’utilisation pour l’utilisateur de l’AFM.A fourth object of the invention is to propose such a method which maintains a certain level of ease of use for the user of the AFM.

Un cinquième objet de l’invention est de proposer un programme apte mettre en œuvre le procédé tel que présenté ci-dessus, ainsi qu’un dispositif de commande comprenant ledit programme.A fifth object of the invention is to propose a program capable of implementing the method as presented above, as well as a control device comprising said program.

A cet effet, il est proposé un procédé de mesure de la force d’interaction entre une portion d’un échantillon et une pointe d’une sonde de force d’une tête AFM, la sonde de force étant solidaire d’un moyen d’excitation, le moyen d’excitation étant apte à vibrer en fonction d’un signal d’excitation, le procédé comprenant:

  • une étape de pré-mesure au cours de laquelle est définie la forme du signal d’excitation, le signal d’excitation étant configuré pour engendrer, lorsque la pointe est libre de toute force d’interaction, une déflexion libre, la déflexion libre formant un signal sinusoïdal modulé en amplitude par un signal d’enveloppe appartenant à la classe des fonctions régulières et définissant une impulsion, la sonde de force entrant en résonance à une fréquence de résonance propre,
  • une étape de mesure comprenant
    • une sous-étape de mise en excitation de la sonde de force, au cours de laquelle le signal d’excitation est appliqué au moyen d’excitation
    • une sous-étape de détection au cours de laquelle est évaluée un décalage de fréquence en interaction, différence entre la fréquence de résonance en interaction de la sonde de force lorsque soumise à la force d’interaction, et la fréquence de résonance propre, par l’intermédiaire d’une sous-étape de détection synchrone, permettant d’obtenir la mesure de ladite force d’interaction.
For this purpose, a method is proposed for measuring the force of interaction between a portion of a sample and a tip of a force probe of an AFM head, the force probe being integral with a means of excitation, the excitation means being capable of vibrating as a function of an excitation signal, the method comprising:
  • a pre-measurement step during which the shape of the excitation signal is defined, the excitation signal being configured to generate, when the tip is free from any interaction force, a free deflection, the free deflection forming a sinusoidal signal modulated in amplitude by an envelope signal belonging to the class of regular functions and defining a pulse, the force probe entering into resonance at a specific resonance frequency,
  • a measurement step comprising
    • a sub-step of energizing the force probe, during which the excitation signal is applied to the excitation means
    • a detection sub-step during which an interacting frequency shift is evaluated, the difference between the interacting resonance frequency of the force probe when subjected to the interaction force, and the natural resonance frequency, by via a synchronous detection sub-step, making it possible to obtain the measurement of said interaction force.

Grâce au procédé de mesure, le temps pour que la sonde entre en état permanent est réduit d’environ dix fois par rapport aux procédés connus utilisant une PLL. Un tel procédé permet en outre de se passer complètement de l’usage d’une PLL.Thanks to the measurement method, the time for the probe to enter a steady state is reduced by approximately ten times compared to known methods using a PLL. Such a process also makes it possible to completely dispense with the use of a PLL.

D’autres caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues seules, ou en combinaison :Other additional features can be provided alone, or in combination:

Selon un mode de mise en œuvre, l’enveloppe est :

  • nulle en dehors d’un intervalle de temps prédéterminé ayant pour borne inférieure une première valeur de temps, et pour borne supérieure une quatrième valeur de temps,
  • croissante entre la première valeur de temps et une deuxième une deuxième valeur de temps supérieure à la première valeur de temps, mais inférieure à la quatrième valeur de temps,
  • constante entre la deuxième valeur de temps et une troisième valeur de temps, supérieure ou égale à la deuxième valeur de temps,
  • décroissante entre la troisième valeur de temps et une quatrième valeur de temps, la troisième valeur de temps étant inférieure à la quatrième valeur de temps.
According to one implementation mode, the envelope is:
  • zero outside a predetermined time interval having as its lower limit a first time value, and as its upper limit a fourth time value,
  • increasing between the first time value and a second a second time value greater than the first time value, but less than the fourth time value,
  • constant between the second time value and a third time value, greater than or equal to the second time value,
  • decreasing between the third time value and a fourth time value, the third time value being less than the fourth time value.

Selon un mode de mise en œuvre, l’enveloppe définit une des fonctions suivantes:

  • sinusoïdale par morceau,
  • polynomiale par morceau,
  • ou une fonction s’exprimant comme suit :
According to one implementation mode, the envelope defines one of the following functions:
  • sinusoidal by piece,
  • piecewise polynomial,
  • or a function expressed as follows:

la deuxième valeur de temps étant différente de la première valeur de temps et la quatrième valeur de temps étant différente de la troisième valeur de temps.the second time value being different from the first time value and the fourth time value being different from the third time value.

Selon un mode de mise en œuvre, l’étape de pré-mesure et l’étape de mesure sont effectuées une seule fois, le signal d’excitation étant un signal d’excitation simple et la déflexion de la sonde de force étant une déflexion libre simple, la forme du signal d’excitation simple étant obtenue en appliquant une transformée de Fourier inverse à la formule suivante :According to one embodiment, the pre-measurement step and the measurement step are carried out only once, the excitation signal being a simple excitation signal and the deflection of the force probe being a deflection simple free, the form of the simple excitation signal being obtained by applying an inverse Fourier transform to the following formula:

EESE, 0(ω) étant la transformée de Fourier du signal d’entrée appliqué au moyen d’excitation, SESE,0(ω) la transformée de Fourier de la déflexion libre, G(ω) la fonction de transfert du résonateur (8), le résonateur (8) intégrant le moyen d’excitation (12) et la sonde de force (9).E ESE, 0 (ω) being the Fourier transform of the input signal applied to the excitation means, S ESE , 0 (ω) the Fourier transform of the free deflection, G(ω) the transfer function of the resonator (8), the resonator (8) integrating the excitation means (12) and the force probe (9).

Selon un mode de mise en œuvre, la forme du signal d’excitation est obtenue en appliquant une transformée de Fourier inverse à la formule suivante :According to one embodiment, the shape of the excitation signal is obtained by applying an inverse Fourier transform to the following formula:

EESE,0(ω) étant la transformée de Fourier du signal d’entrée appliqué au moyen d’excitation, SESE, 0(ω) la transformée de Fourier de la déflexion libre, G(ω) la fonction de transfert du résonateur, le résonateur intégrant le moyen d’excitation et la sonde de force, et W(ω) la transformée de Fourier d’une fenêtre de Blackman–Harris.E ESE, 0 (ω) being the Fourier transform of the input signal applied to the excitation means, S ESE, 0 (ω) the Fourier transform of the free deflection, G(ω) the transfer function of the resonator , the resonator integrating the excitation means and the force probe, and W(ω) the Fourier transform of a Blackman–Harris window.

Selon un mode de mise en œuvre, l’étape de pré-mesure englobe une sous-étape de calibration au cours de laquelle:

  • un signal d’entrée virtuel est défini,
  • au moins une fréquence de plusieurs fréquences de résonance virtuelle différente de la fréquence de résonance propre est sélectionnée, la fréquence virtuelle ayant une valeur sélectionnée dans une plage de valeur pouvant être atteinte par la fréquence de résonance en interaction,
  • le signal d’entrée virtuel choisi est appliqué à la sonde de force initialement immobile et libre de la force d’interaction, de sorte à générer une réponse vibratoire impulsionnelle de la pointe définissant une déflexion de calibration, sinusoïdal et modulé en amplitude par un fonction d’enveloppe régulière ,
  • des mesures de la déflexion de calibration, permettant de déterminer un coefficient de calibration, le coefficient de calibration étant proportionnel à une variable de traitement.
According to one mode of implementation, the pre-measurement step includes a calibration sub-step during which:
  • a virtual input signal is defined,
  • at least one frequency of several virtual resonance frequencies different from the natural resonance frequency is selected, the virtual frequency having a value selected in a value range that can be reached by the interacting resonance frequency,
  • the chosen virtual input signal is applied to the force probe initially immobile and free from the interaction force, so as to generate an impulse vibration response of the tip defining a calibration deflection, sinusoidal and modulated in amplitude by a function regular envelope,
  • measurements of the calibration deflection, making it possible to determine a calibration coefficient, the calibration coefficient being proportional to a processing variable.

Selon un mode de mise en œuvre, le signal d’entrée virtuel est défini comme étant la transformée de Fourier inverse de la formule suivante :According to one mode of implementation, the virtual input signal is defined as being the inverse Fourier transform of the following formula:

E’(ω) étant la transformée de Fourier du signal étalonnant, SESE, N(ω) la transformée de Fourier de la déflexion libre répétée, H(ω) étant une modélisation d’une fonction de transfert harmonique idéale de la sonde de force entrant en résonance à la fréquence de résonance libre, H’(ω) étant une fonction de transfert harmonique fictive de la sonde de force entrant en résonance à la fréquence de résonance fictive, G(ω) la fonction de transfert du résonateur, et W(ω) une fenêtre de Blackman–Harris.E'(ω) being the Fourier transform of the calibrating signal, S ESE, N (ω) the Fourier transform of the repeated free deflection, H(ω) being a modeling of an ideal harmonic transfer function of the probe force entering into resonance at the free resonance frequency, H'(ω) being a fictitious harmonic transfer function of the force probe entering into resonance at the fictitious resonance frequency, G(ω) the transfer function of the resonator, and W(ω) a Blackman–Harris window.

Selon un mode de mise en œuvre, lors de la sous-étape de calibration, et lors de l’étape de mesure; il comprend une sous-étape de traitement au cours de laquelle il est réalisé

  • une multiplication d’une déflexion avec un signal harmonique complexe permettant l’obtention d’un signal de sortie traité par détection synchrone,
  • une représentation de la partie réelle et de la partie imaginaire du signal de sortie traité sur un plan complexe, le signal de sortie traité ainsi représenté formant une boucle,
  • une mesure de l’aire de la boucle, l’aire de la boucle étant proportionnelle au décalage de fréquence.
According to one mode of implementation, during the calibration sub-step, and during the measurement step; it includes a processing sub-step during which it is carried out
  • a multiplication of a deflection with a complex harmonic signal making it possible to obtain an output signal processed by synchronous detection,
  • a representation of the real part and the imaginary part of the processed output signal on a complex plane, the processed output signal thus represented forming a loop,
  • a measure of the loop area, the loop area being proportional to the frequency offset.

Selon un mode de mise en œuvre, les étapes de pré-mesure et de mesure sont répétées dans le temps, de sorte à permettre la mesure de la force d’interaction sur N portions, la déflexion étant une déflexion libre répétée qui s’exprime comme suit :According to one mode of implementation, the pre-measurement and measurement steps are repeated over time, so as to allow the measurement of the interaction force on N portions, the deflection being a repeated free deflection which is expressed as following :

n correspondant au nombre de fois où l’étape de pré-mesure est effectuée.n corresponding to the number of times the pre-measurement step is carried out.

Selon un aspect, l’invention concerne un produit programme d’ordinateur implanté sur un module électronique comprenant un support de stockage comprenant des instructions qui lorsque exécutées sur un dispositif informatique mettent en œuvre la commande du procédé de mesure selon l’un quelconque des modes de mise en œuvre décrit ci-avant.According to one aspect, the invention relates to a computer program product installed on an electronic module comprising a storage medium comprising instructions which, when executed on a computer device, implement the control of the measurement method according to any of the modes implementation described above.

Selon un aspect, l’invention concerne un support mémoire comprenant le produit programme d’ordinateur décrit ci-avant.According to one aspect, the invention relates to a memory medium comprising the computer program product described above.

Selon un aspect, l’invention concerne un AFM comprenant le support mémoire décrit ci-avant.According to one aspect, the invention relates to an AFM comprising the memory medium described above.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement et de manière concrète à la lecture de la description ci-après de modes de réalisation, laquelle est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :Other characteristics and advantages of the invention will appear more clearly and concretely on reading the following description of embodiments, which is made with reference to the appended drawings in which:

représente un graphique illustrant les forces d’interaction interatomiques, ainsi que le gradient de force s’exerçant sur une sonde de force en fonction de la distance entre l’échantillon et la pointe, represents a graph illustrating the interatomic interaction forces, as well as the force gradient acting on a force probe as a function of the distance between the sample and the tip,

représente une vue schématique d’une tête d’AFM lors de la réalisation d’une mesure de la force d’interaction entre la sonde de force et un échantillon, represents a schematic view of an AFM head when carrying out a measurement of the interaction force between the force probe and a sample,

représente un diagramme synoptique illustrant un procédé de mesure de la force d’interaction entre la sonde et un échantillon, represents a synoptic diagram illustrating a method for measuring the force of interaction between the probe and a sample,

représente un diagramme synoptique illustrant une étape de prémesure un procédé de mesure de la force d’interaction entre la sonde et un échantillon, sans répétition represents a synoptic diagram illustrating a pre-measurement step a method of measuring the force of interaction between the probe and a sample, without repetition

représente un diagramme synoptique illustrant une étape de prémesure de mesure d’un procédé de mesure de la force d’interaction entre la sonde et un échantillon, lorsque l’on est en situation de répétition de la déflexion, represents a synoptic diagram illustrating a pre-measurement step of a method for measuring the force of interaction between the probe and a sample, when the deflection is repeated,

représente un graphique schématique de la trace temporelle de la déflexion de la sonde sous excitation harmonique classique (gris), ainsi que celle de la déflexion de la sonde utilisée dans le cadre du procédé (noir) pour réaliser la mesure de la force d’interaction pour l’acquisition d’un pixel, represents a schematic graph of the time trace of the deflection of the probe under classical harmonic excitation (gray), as well as that of the deflection of the probe used in the process (black) to carry out the measurement of the interaction force for the acquisition of a pixel,

représente un graphique schématique de la trace temporelle de la déflexion libre répétée de la sonde lorsque le procédé de mesure de la force d’interaction est répété, represents a schematic graph of the time trace of the repeated free deflection of the probe when the method of measuring the interaction force is repeated,

illustre un graphique schématique de la trace temporelle du décalage en fréquence lié à l’application sur la sonde de force d’une force d’interaction (haut), de la trace temporelle correspondante de la déflexion de la sonde s(t) dans le cadre du procédé (milieu) et de la trace temporelle des parties réelle et imaginaire de la quantité « P » construite sur s(t), lors d’une étape de traitement (bas), illustrates a schematic graph of the time trace of the frequency shift linked to the application on the force probe of an interaction force (top), of the corresponding time trace of the deflection of the probe s(t) in the framework of the process (middle) and the time trace of the real and imaginary parts of the quantity “P” constructed on s(t), during a processing step (bottom),

illustre un graphique schématique de la déflexion de la sonde après détection synchrone représentée sur un plan complexe, illustrates a schematic graph of the deflection of the probe after synchronous detection represented on a complex plane,

illustre une courbe obtenue après réalisation d’une sous-étape de calibration. illustrates a curve obtained after carrying out a calibration sub-step.

L’on se réfère à la , illustrant un exemple de tête d’AFM 1, comprenant un support 2, une sonde de force 9 et un moyen d’excitation. Une telle tête d’AFM 1 appartient à un AFM (non représenté). Une telle structure d’AFM est connue de l’état de la technique.We refer to the , illustrating an example of an AFM head 1, comprising a support 2, a force probe 9 and an excitation means. Such an AFM head 1 belongs to an AFM (not shown). Such an AFM structure is known from the state of the art.

Le moyen d’excitation (non représenté) lié au support 2 est destiné à vibrer, ce qui permet de mettre en oscillation la sonde de force.The excitation means (not shown) linked to the support 2 is intended to vibrate, which allows the force probe to oscillate.

Avantageusement, l’AFM comprend un module électronique MCU, permettant notamment de piloter le moyen d’excitation, et de réguler, d’asservir la distance entre la pointe 10 et la surface de l’échantillon 4.Advantageously, the AFM includes an electronic module MCU, making it possible in particular to control the excitation means, and to regulate and control the distance between the tip 10 and the surface of the sample 4.

Telle que représentée sur la , la sonde de force 9 est en regard d’une portion 3 d’un échantillon 4, et dans une telle position, subit de la part de cet échantillon 4 une force d’interaction Fint.As shown on the , the force probe 9 is opposite a portion 3 of a sample 4, and in such a position, undergoes an interaction force F int from this sample 4.

Lorsque la sonde de force 9 est suffisamment éloignée de l’échantillon 4, pour ne pas subir pas de force d’interaction Fin, la sonde de force 9 est dite libre.When the force probe 9 is sufficiently far from the sample 4, so as not to experience an interaction force F in , the force probe 9 is said to be free.

Avantageusement, la sonde de force 9 comprend une première partie extrême 5, libre. De la sorte, la sonde de force 9 est en porte-à-faux, une telle disposition permettant à la sonde de force 9 de pouvoir se trouver directement face à l’échantillon 4.Advantageously, the force probe 9 comprises a first end part 5, free. In this way, the force probe 9 is cantilevered, such an arrangement allowing the force probe 9 to be directly facing the sample 4.

Avantageusement, la sonde de force 9 comprend une deuxième partie extrême 6, solidaire du moyen d’excitation 12, de sorte que les vibrations du moyen d’excitation 12 puissent permettre de mettre en oscillation la sonde de force 9.Advantageously, the force probe 9 comprises a second end part 6, integral with the excitation means 12, so that the vibrations of the excitation means 12 can make it possible to set the force probe 9 into oscillation.

Avantageusement, le moyen d’excitation 12, lui-même solidaire du support 2, est lié à la deuxième partie extrême 6 au moyen d’un ressort 7. De la sorte, le moyen d’excitation 12 est apte à transmettre son mouvement à la sonde de force 9. Aussi, la sonde de force 9 et le moyen d’excitation 12 forment un résonateur 8.Advantageously, the excitation means 12, itself secured to the support 2, is linked to the second end part 6 by means of a spring 7. In this way, the excitation means 12 is capable of transmitting its movement to the force probe 9. Also, the force probe 9 and the excitation means 12 form a resonator 8.

Avantageusement, la première partie extrême 5 de sonde de force prend la forme d’un levier, mais plus généralement tout oscillateur mécanique peut convenir. La sonde de force 9 est par exemple assimilable à un système masse-ressort, de masse m, et de raideur k0, ayant une fréquence de résonance propre f0.Advantageously, the first extreme part 5 of the force probe takes the form of a lever, but more generally any mechanical oscillator can be suitable. The force probe 9 can for example be compared to a mass-spring system, of mass m, and stiffness k 0 , having a natural resonance frequency f 0 .

Dans le mode de réalisation représenté, la première partie extrême 5 est munie d’une pointe 10 destinée à être orientée vers l’échantillon 4, et plus particulièrement vers une portion 3 de l’échantillon 4.In the embodiment shown, the first end part 5 is provided with a tip 10 intended to be oriented towards the sample 4, and more particularly towards a portion 3 of the sample 4.

Avantageusement, la sonde de force 9 forme un angle typiquement de 10° avec la surface de l’échantillon 4, permettant à la pointe 10 d’être mise à proximité de l’échantillon 4 sans qu’une autre partie de la tête AFM 1 ne soit en contact avec l’échantillon 4.Advantageously, the force probe 9 forms an angle typically of 10° with the surface of the sample 4, allowing the tip 10 to be placed close to the sample 4 without another part of the AFM head 1 is not in contact with sample 4.

L’on définit par rapport à l’échantillon 4 un repère orthogonal XYZ formant un trièdre direct, comprenant trois axes perpendiculaires deux à deux, à savoir :

  • un axe X, définissant une direction longitudinale, horizontale, confondue avec la projection de la direction d'extension du levier 9 dans le plan de l’échantillon,
  • un axe Y, définissant une direction transversale, horizontale, qui avec l'axe XY définit un plan XY horizontal,
  • un axe Z, définissant une direction verticale, perpendiculaire au plan XY horizontal.
We define with respect to sample 4 an orthogonal reference frame XYZ forming a direct trihedron, comprising three perpendicular axes in pairs, namely:
  • an axis
  • a Y axis, defining a transverse, horizontal direction, which with the XY axis defines a horizontal XY plane,
  • a Z axis, defining a vertical direction, perpendicular to the horizontal XY plane.

La déflexion d’un tel levier 9 est généralement mesurée par le biais d’un système optique (non représenté) comprenant un laser, et un détecteur photosensible. Plus spécifiquement, le rayonnement laser 11 est réfléchi sur la surface supérieure du levier 9 au droit de la pointe 10, de sorte à venir frapper le détecteur photosensible. Toute modification de la déflexion du levier 9 a pour conséquence de modifier le positionnement du rayonnement laser sur le détecteur photosensible.The deflection of such a lever 9 is generally measured using an optical system (not shown) comprising a laser and a photosensitive detector. More specifically, the laser radiation 11 is reflected on the upper surface of the lever 9 to the right of the tip 10, so as to strike the photosensitive detector. Any modification of the deflection of the lever 9 has the effect of modifying the positioning of the laser radiation on the photosensitive detector.

Dans des modes de réalisation non représentés, la sonde de force comprend un diapason en quartz en forme de U (« quartz tuning fork », QTF), dont une branche comprend une pointe en interaction avec l’échantillon 4. Le cas échéant, la déflexion de la branche du QTF supportant la pointe 10 ne requiert pas de dispositif de détection optique. Celle-ci se fait par un amplificateur de charge qui génère une tension proportionnelle à la charge générée par effet piézoélectrique dans le QTF lors de la déflexion de la pointe.In embodiments not shown, the force probe comprises a U-shaped quartz tuning fork (“quartz tuning fork”, QTF), one branch of which comprises a tip interacting with the sample 4. If necessary, the deflection of the branch of the QTF supporting the tip 10 does not require an optical detection device. This is done by a charge amplifier which generates a voltage proportional to the charge generated by the piezoelectric effect in the QTF during deflection of the tip.

Dans d’autres mises en œuvre non représentées, la sonde de force 9 est un système micro-électro-mécanique, par exemple en forme de disque ou d’anneau, ou prenant la forme de structures plus complexes.In other implementations not shown, the force probe 9 is a micro-electro-mechanical system, for example in the shape of a disc or ring, or taking the form of more complex structures.

Avantageusement, le moyen d’excitation est un élément apte à mettre la sonde de force 9 en oscillation à une fréquence proche de sa fréquence de résonance.Advantageously, the excitation means is an element capable of causing the force probe 9 to oscillate at a frequency close to its resonance frequency.

Dans le mode de réalisation représenté, le moyen d’excitation consiste en une platine piézoélectrique 12. Un tel système piézoélectrique est avantageux, car ses vibrations sont facilement contrôlables à l’aide d’une tension électrique d’excitation e(t).In the embodiment shown, the excitation means consists of a piezoelectric plate 12. Such a piezoelectric system is advantageous because its vibrations are easily controllable using an electrical excitation voltage e(t).

Dans d’autres modes de réalisation non représentés, le moyen d’excitation est optique, fonctionnant par exemple par pression de radiation, ou effet thermique, causé par l’absorption de la lumière.In other embodiments not shown, the excitation means is optical, operating for example by radiation pressure, or thermal effect, caused by the absorption of light.

Dans d’autres modes de réalisation non représentés, le moyen d’excitation est magnétique, ou électrostatique.In other embodiments not shown, the excitation means is magnetic or electrostatic.

L’on décrit à présent un procédé de mesure 100, de la force d’interaction entre une portion 3 de l’échantillon 4 et la pointe 10. Un tel procédé de mesure 100, également intitulé protocole « Engineered Swift Equilibration » (protocole ESE) est schématisé .We now describe a method of measuring 100, the interaction force between a portion 3 of the sample 4 and the tip 10. Such a measuring method 100, also entitled "Engineered Swift Equilibration" protocol (ESE protocol ) is schematized .

Sans que cela soit limitatif, le procédé de mesure 100 est décrit avec une sonde de force 9 prenant la forme d’un levier, et un moyen d’excitation 12 qui est un système piézoélectrique.Without this being limiting, the measurement method 100 is described with a force probe 9 taking the form of a lever, and an excitation means 12 which is a piezoelectric system.

Le procédé de mesure 100 comprend une étape de pré-mesure 101, et une étape de mesure 102. Des exemples de mise en œuvre de telles étapes sont illustrés sur les figures3, 4 et 5.The measurement method 100 comprises a pre-measurement step 101, and a measurement step 102. Examples of implementation of such steps are illustrated in Figures 3, 4 and 5.

Plus, précisément, l’étape de pré-mesure 101 s’effectue lorsque la sonde de force 9 est libre. Une telle étape de pré-mesure 101 a notamment pour objet de prédéfinir un signal d’excitation simple eESE,0(t) de la sonde de force 9 afin que sa déflexion libre simple sESE,0(t) présente une forme prédéfinie sur un intervalle de temps équivalent à un pixel de mesure, typiquement quelques périodes d’oscillation de la sonde de force 9.More precisely, the pre-measurement step 101 is carried out when the force probe 9 is free. The purpose of such a pre-measurement step 101 is in particular to predefine a simple excitation signal e ESE,0 (t) of the force probe 9 so that its simple free deflection s ESE,0 (t) has a predefined shape. over a time interval equivalent to a measurement pixel, typically a few periods of oscillation of the force probe 9.

Au cours de l’étape de mesure 102, il est réalisé notamment la mesure de la force d’interaction Fint. L’étape de mesure 102 est répétée autant de fois qu’il y a de pixel à mesurer, de sorte à réaliser l’acquisition d’une image avec une large bande passante.During the measurement step 102, the interaction force F int is measured in particular. The measurement step 102 is repeated as many times as there are pixels to measure, so as to acquire an image with a wide bandwidth.

Plus spécifiquement, et comme précisé davantage par la suite, lors de l’étape de mesure 102, la pointe 10 est mise à une distance de mesure de la portion 3 de l’échantillon, la distance de mesure étant définie de telle sorte que la sonde de force 9 subisse une force d’interaction Fintde la portion 3, la sonde de force 9 entrant en résonance à une fréquence de résonance en interaction fT.More specifically, and as explained further below, during the measuring step 102, the tip 10 is placed at a measuring distance from the portion 3 of the sample, the measuring distance being defined such that the force probe 9 experiences an interaction force F int of portion 3, the force probe 9 entering into resonance at an interaction resonance frequency f T.

Ainsi, au cours de l’étape de mesure 102, les variations d’amplitude de la déflexion s(t), qui sont proportionnelles au décalage en fréquence en interaction ΔfT, sont avantageusement utilisés comme signal de référence de l’asservissement de la distance entre la sonde de force 9 et la surface de l’échantillon 4.Thus, during the measurement step 102, the variations in amplitude of the deflection s(t), which are proportional to the interaction frequency shift Δf T , are advantageously used as a reference signal for the control of the distance between the force probe 9 and the surface of the sample 4.

L’on décrit plus précisément l’étape de pré-mesure 101, en se référant aux figures 3 et 4.We describe the pre-measurement step 101 more precisely, with reference to Figures 3 and 4.

Comme mentionné ci-dessus, l’étape de pré-mesure 101 permet de déterminer la forme du signal d’excitation simple eESE,0(t) à fournir à la sonde de force 9, pour lui imposer une déflexion de forme prédéfinie sur un intervalle de temps prédéfini. Un tel intervalle de temps vaut par exemple pour un pixel de mesure.As mentioned above, the pre-measurement step 101 makes it possible to determine the shape of the simple excitation signal e ESE,0 (t) to be supplied to the force probe 9, to impose on it a deflection of predefined shape on a predefined time interval. Such a time interval applies for example to a measurement pixel.

Avantageusement, une telle étape de pré-mesure 101 utilise la fonction de transfert de la tête d’AFM 1, permettant de généraliser une telle étape à un nombre N arbitraire de pixels de mesure, et d’établir une relation linéaire entre le décalage en fréquence ΔfTet une variable de traitement A(t), fonctionnelle de la déflexion s(t).Advantageously, such a pre-measurement step 101 uses the transfer function of the AFM head 1, making it possible to generalize such a step to an arbitrary number N of measurement pixels, and to establish a linear relationship between the offset in frequency Δf T and a processing variable A(t), functional to the deflection s(t).

De telles opérations sont effectuées avant les mesures, donc avant l’acquisition des images. Elles s’effectuent alors que la pointe 10 est située en regard de l’échantillon 4, mais en étant libre.Such operations are carried out before the measurements, therefore before the acquisition of the images. They are carried out while tip 10 is located opposite sample 4, but being free.

Au cours de l’étape de pré-mesure 101 un signal d’excitation eESE, 0(t) est appliqué, engendrant lorsque la pointe (10) est libre de toute force d’interaction, une déflexion libre simple sESE,0(t), par exemple sur un intervalle de temps Tparbitraire, avantageusement suffisamment court, typiquement quelques périodes d’oscillation de la sonde de force 9, autorisant la mesure ponctuelle de la force d’interaction Fint, comme celle d’un signal sinusoïdal modulé en amplitude par un signal d’enveloppe η(t).During the pre-measurement step 101 an excitation signal e ESE, 0 (t) is applied, generating when the tip (10) is free of any interaction force, a simple free deflection s ESE,0 (t), for example over an arbitrary time interval T p , advantageously sufficiently short, typically a few periods of oscillation of the force probe 9, authorizing the point measurement of the interaction force F int , like that of a sinusoidal signal modulated in amplitude by an envelope signal η(t).

La forme du signal d’excitation simple eESE,0(t) requise pour obtenir une telle forme de déflexion libre simple sESE,0(t) est détaillée plus loin dans la présente description.The shape of the simple excitation signal e ESE,0 (t) required to obtain such a simple free deflection shape s ESE,0 (t) is detailed later in the present description.

Le signal d’enveloppe η(t) (unité : adimensionnel) se présente sous la forme d’une impulsion.The envelope signal η(t) (unit: dimensionless) is in the form of a pulse.

Un exemple d’une telle impulsion est illustré . Autrement dit, la fonction d’enveloppe η(t) est initialement constante (dans l’exemple de la , nulle), puis évolue vers une valeur non nulle, et redevient constante (dans l’exemple de la , nulle).An example of such a pulse is shown . In other words, the envelope function η(t) is initially constant (in the example of , zero), then evolves towards a non-zero value, and becomes constant again (in the example of the , nothing).

En d’autres termes, la déflexion libre simple sESE,0(t) (unités : m) prend la forme d’un signal sinusoïdal modulé en amplitude par le signal d’enveloppe η(t).In other words, the simple free deflection s ESE,0 (t) (units: m) takes the form of a sinusoidal signal modulated in amplitude by the envelope signal η(t).

Une telle déflexion libre sESE,0(t) s’exprime par exemple de la manière suivante :Such a free deflection s ESE,0 (t) is expressed for example as follows:

où As(unités : m) et fd(unités : Hz) désignent respectivement l’amplitude maximale et la fréquence de pilotage de la déflexion libre simple sESE,0(t).where A s (units: m) and f d (units: Hz) respectively designate the maximum amplitude and the driving frequency of the simple free deflection s ESE,0 (t).

Avantageusement, la fréquence de pilotage fdest choisie égale ou sensiblement égale à la fréquence de résonance propre f0de la sonde, en respectant |fd-f0|<f0/Q0.Advantageously, the control frequency f d is chosen equal or substantially equal to the natural resonance frequency f 0 of the probe, while respecting |f d -f 0 |<f 0 /Q 0 .

Le signal d’enveloppe η(t) peut être représenté sous la forme d’une fonction appartenant à la classe des fonctions régulières c’est à dire est continue et continûment dérivable.The envelope signal η(t) can be represented in the form of a function belonging to the class of regular functions, i.e. it is continuous and continuously differentiable.

L’on se réfère à la , donnant un exemple d’un signal d’enveloppe η(t). Un tel signal d’enveloppe η(t) est nul en dehors d’un intervalle de temps [t1 ; t4] prédéterminé, croissant entre une première valeur de temps t1 et une deuxième valeur de temps t2 supérieure à la première valeur de temps t1, constant entre la deuxième valeur de temps t2 et une troisième valeur de temps t3, supérieure ou égale à la deuxième valeur de temps, et décroissant entre la troisième valeur de temps (t3) et une quatrième valeur de temps t4. Puis après la quatrième valeur de temps t4, le signal d’enveloppe η(t) offre une valeur nulle. Le temps de mesure d’un pixel Tpcorrespond ainsi au minimum à l’intervalle de temps [t1 ; t4], mais peut s’étendre avant ou après un tel intervalle.We refer to the , giving an example of an envelope signal η(t). Such an envelope signal η(t) is zero outside a time interval [t1; t4] predetermined, increasing between a first time value t1 and a second time value t2 greater than the first time value t1, constant between the second time value t2 and a third time value t3, greater than or equal to the second time value, and decreasing between the third time value (t3) and a fourth time value t4. Then after the fourth time value t4, the envelope signal η(t) offers a zero value. The measurement time of a pixel T p thus corresponds at least to the time interval [t1; t4], but can extend before or after such an interval.

De cette manière, la sonde de force9 soumise au signal d’excitation simple eESE,0(t) assurant cette forme de la déflexion libre simple sESE,0(t), évolue entre un premier état d’équilibre, puis est excité, et revient à un deuxième état d’équilibre, identique au premier état d’équilibre.In this way, the force probe9 subjected to the simple excitation signal e ESE,0 (t) ensuring this form of the simple free deflection s ESE,0 (t), evolves between a first state of equilibrium, then is excited , and returns to a second equilibrium state, identical to the first equilibrium state.

Le fait d’animer la sonde de force 9 d’un signal sinusoïdal modulé par une impulsion permet de contraindre la sonde de force 9 à atteindre un état d’équilibre beaucoup plus rapidement que si la sonde de force 9 était excitée par le biais d’un signal sinusoïdal simple, c’est-à-dire sans modulation. L’on s’affranchit ainsi du critère d’adiabaticité précité qu’impose le facteur de qualité de la sonde de force 9. De la sorte, il est possible de réduire considérablement le temps pour réaliser la mesure de la force d’interaction Fintexercée par l’échantillon 4 sur la sonde de force 9, et ainsi détecter un pixel. La bande passante d’acquisition d’une image est considérablement accrue.The fact of animating the force probe 9 with a sinusoidal signal modulated by a pulse makes it possible to force the force probe 9 to reach a state of equilibrium much more quickly than if the force probe 9 were excited by means of 'a simple sinusoidal signal, that is to say without modulation. We thus free ourselves from the aforementioned adiabaticity criterion imposed by the quality factor of the force probe 9. In this way, it is possible to considerably reduce the time to carry out the measurement of the interaction force F int exerted by the sample 4 on the force probe 9, and thus detect a pixel. The image acquisition bandwidth is considerably increased.

L’on décrit par la suite plusieurs exemples de fonction représentant le signal d’enveloppe η(t).Several examples of functions representing the envelope signal η(t) are described below.

Un exemple de signal d’enveloppe η(t) est:An example of an envelope signal η(t) is:

Une telle expression définit complètement celle de la déflexion libre simple sESE,0(t) .Such an expression completely defines that of the simple free deflection s ESE,0 (t).

Un deuxième exemple de signal d’enveloppe η(t) est:A second example of an envelope signal η(t) is:

Un troisième exemple de signal d’enveloppe η(t) est:A third example of an envelope signal η(t) is:

Selon encore un autre exemple, le signal d’enveloppe η(t) est un polynôme prenant une valeur nulle entre 0 et la première valeur de temps t1, et de valeur 1 entre la deuxième valeur de temps t2 et la troisième valeur de temps t3, de dérivée nulle aux première, deuxième, troisième et quatrième valeur de temps t4, et monotone entre la première et deuxième valeur de temps t2, t4 ainsi qu’entre la troisième valeur de temps et quatrième valeur de temps t4.According to yet another example, the envelope signal η(t) is a polynomial taking a zero value between 0 and the first time value t1, and a value 1 between the second time value t2 and the third time value t3 , of zero derivative at the first, second, third and fourth time value t4, and monotonic between the first and second time value t2, t4 as well as between the third time value and fourth time value t4.

L’on décrit à présent une sous-étape de détermination 1010 de la fonction de transfert mécanique G(ω) de la tête d’AFM 1. Avantageusement, G(ω) est obtenue en injectant à la tête d’AFM 1 une excitation « blanche » en(t) sous la forme de bruit blanc et en mesurant la déflexion libre « blanche » sn(t) associée de la sonde de force 9.We now describe a sub-step 1010 of determining the mechanical transfer function G(ω) of the AFM head 1. Advantageously, G(ω) is obtained by injecting the AFM head 1 with an excitation “white” e n (t) in the form of white noise and by measuring the associated “white” free deflection s n (t) of the force probe 9.

De manière préférentielle, une telle mesure de la déflexion libre sn(t) est répétée un nombre prédéterminée N de fois afin d’obtenir une mesure moyenne de G(ω) davantage précise.Preferably, such a measurement of the free deflection s n (t) is repeated a predetermined number N of times in order to obtain a more precise average measurement of G (ω).

On note :We notice :

Math [15]
Math [15]

etAnd

les nièmeréalisations des transformées de Fourier de l’excitation blanche en(t) et de la déflexion libre associée sn(t) parmi les N effectuées.the nth realizations of the Fourier transforms of the white excitation n (t) and the associated free deflection s n (t) among the N carried out.

Ainsi, la fonction de transfert de l’ensemble de la tête d’AFM 1 G(ω) s’exprime comme suit:Thus, the transfer function of the entire AFM head 1 G(ω) is expressed as follows:

Une fois déterminée, la fonction de transfert G(ω) de la tête d’AFM 1 est supposée inchangée dans toute la suite du procédé de mesure 100.Once determined, the transfer function G(ω) of the AFM head 1 is assumed unchanged throughout the rest of the measurement method 100.

L’étape de pré-mesure (101) comprend une sous-étape 1011 de détermination du signal d’excitation pour un pixel de mesure.The pre-measurement step (101) comprises a sub-step 1011 for determining the excitation signal for a measurement pixel.

La transformée de Fourier du signal d’excitation simple eESE,0(t), s’exprime comme suit :The Fourier transform of the simple excitation signal e ESE,0 (t), is expressed as follows:

Sous forme temporelle, le signal d’excitation simple temporelle eESE,0(t) est avantageusement déterminé par opération de transformée de Fourier inverse :In temporal form, the simple temporal excitation signal e ESE,0 (t) is advantageously determined by an inverse Fourier transform operation:

avec W(ω), la transformée de Fourier d’une fenêtre de Blackman-Harris appliquée sur le signal d’excitation simple EESE,0(ω) avant l’opération de transformée de Fourier inverse permettant de lisser ses divergences locales.with W(ω), the Fourier transform of a Blackman-Harris window applied to the simple excitation signal E ESE,0 (ω) before the inverse Fourier transform operation making it possible to smooth out its local divergences.

Les expressions de la déflexion libre simple sESE,0(t) et du signal d’excitation simple eESE,0(t) représentent la déflexion et l’excitation de la pointe lors d’un unique cycle du procédé de mesure, i.e. sur une durée d’acquisition Tpreflétant le temps d’acquisition d’un unique pixel de l’image, ce qui est suffisant pour la mesure ponctuelle de la force d’interaction pointe-surface.The expressions for the simple free deflection s ESE,0 (t) and the simple excitation signal e ESE,0 (t) represent the deflection and excitation of the tip during a single cycle of the measurement process, ie over an acquisition duration T p reflecting the acquisition time of a single pixel of the image, which is sufficient for the point measurement of the tip-surface interaction force.

Afin d’envisager l’acquisition continue de pixels dans le temps et de sorte à former une image, l’étape de pré-mesure 102 est avantageusement répétée dans le temps.In order to envisage the continuous acquisition of pixels over time and so as to form an image, the pre-measurement step 102 is advantageously repeated over time.

Plus précisément, l’expression de la déflexion libre simple sESE,0(t) est répétée dans le temps. En considérant une acquisition de N pixels sur une durée donc totale NTp, l’on définit une déflexion répétée sESE,N(t) une signal d’excitation répété sur un tel laps de temps. La déflexion libre répétée sESE,N(t) s’exprime par exemple de la manière suivante :More precisely, the expression for the simple free deflection s ESE,0 (t) is repeated over time. Considering an acquisition of N pixels over a total duration NT p , we define a repeated deflection s ESE,N (t) an excitation signal repeated over such a period of time. The repeated free deflection s ESE,N (t) is expressed for example as follows:

Le coefficient (-1)ndans l’équation précédente permet de maintenir l’amplitude maximale de la déflexion répétée sESE,N(t) constante et d’éviter sa divergence dans le temps.The coefficient (-1) n in the previous equation makes it possible to maintain the maximum amplitude of the repeated deflection s ESE,N (t) constant and to avoid its divergence over time.

Reprenant les éléments précités et notantla transformée de Fourier de la déflexion libre répétée sESE,N(t), le signal d’excitation répété eESE,N(t) à fournir à la sonde pour obtenir la déflexion libre répétée sESE,N(t) est donné par la relation suivante:Taking up the aforementioned elements and noting the Fourier transform of the repeated free deflection s ESE,N (t), the repeated excitation signal e ESE,N (t) to be supplied to the probe to obtain the repeated free deflection s ESE,N (t) is given by the following relation:

Avantageusement, au cours d’une sous-étape de traitement (1020), une détection synchrone est appliquée à la déflexion simple sESE,0(t) ou à la déflexion répétée sESE,N(t) obtenue après excitation par le signal d’excitation eESE,N(t). Une telle étape permet l’obtention d’une fonctionnelle de sortie du signal sESE,N(t), dénommée « déflexion traitée » et notée p(t).Advantageously, during a processing sub-step (1020), a synchronous detection is applied to the simple deflection s ESE,0 (t) or to the repeated deflection s ESE,N (t) obtained after excitation by the signal excitation e ESE,N (t). Such a step makes it possible to obtain an output functional of the signal s ESE,N (t), called “processed deflection” and denoted p(t).

Plus particulièrement, la détection synchrone s’effectue avantageusement comme décrit ci-dessous :More particularly, synchronous detection is advantageously carried out as described below:

L’équation de la déflexion traitée p(t) (unités : m) s’exprime alors par exemple comme :The treated deflection equation p(t) (units: m) is then expressed for example as:

Le signal de la déflexion traitée p(t) est calculé continûment au cours du temps. Avantageusement, un tel signal de déflexion traitée p(t) est moyenné par l’intermédiaire d’un filtre passe bas, par exemple par intégration sur un laps de temps qui soit un multiple de la période de pilotage 1/fd, par exemple Δtint =10 / fdpour former le signal P(t) (unités : m) tel que:The processed deflection signal p(t) is calculated continuously over time. Advantageously, such a processed deflection signal p(t) is averaged via a low pass filter, for example by integration over a period of time which is a multiple of the control period 1/f d , for example Δt int = 10 / f d to form the signal P(t) (units: m) such that:

P(t) est un signal complexe, s’exprimant comme suit :P(t) is a complex signal, expressed as follows:

P(t) est également calculé continûment au cours du temps.P(t) is also calculated continuously over time.

Le signal A(t) (unités : m2) s’exprime comme suit:The signal A(t) (units: m 2 ) is expressed as follows:

La variable de traitement A(t) est calculée continument au cours du temps et reflète implicitement les variations temporelles de la déflexion de la pointe sur une durée Tpreflétant un pixel de mesure, éventuellement influencée par une force d’interaction avec la surface.The processing variable A(t) is calculated continuously over time and implicitly reflects the temporal variations of the deflection of the tip over a duration T p reflecting a measurement pixel, possibly influenced by an interaction force with the surface.

Pour une valeur d’interaction fixe, c’est-à-dire lorsque le décalage de fréquence en interaction ΔfTest constant, la déflexion répétée sESE,N(t) est périodique de période Tp, donc la variable de traitement A(t) est stationnaire et prend une valeur fixe Astacaractéristique de ΔfT, et donc de d’interaction entre la pointe 10 et la surface.For a fixed interaction value, that is to say when the interaction frequency shift Δf T is constant, the repeated deflection s ESE,N (t) is periodic with period T p , therefore the processing variable A (t) is stationary and takes a fixed value A sta characteristic of Δf T , and therefore of interaction between the tip 10 and the surface.

Des exemples de mise en œuvre du procédé de mesure 100 sont illustrés figures 8 et 9.Examples of implementation of the measurement method 100 are illustrated in Figures 8 and 9.

La représente schématiquement la trace temporelle de l’évolution de la déflexion répétée sESE,N(t), avec N = 9 pixels de mesure sous un échelon de décalage de fréquence ΔfT= -16 Hz imposé. Les parties réelle Re(P) et imaginaire Im(P) de la quantité P(t) sont également reportées.There schematically represents the time trace of the evolution of the repeated deflection s ESE,N (t), with N = 9 measurement pixels under an imposed frequency shift step Δf T = -16 Hz. The real parts Re(P) and imaginary Im(P) of the quantity P(t) are also reported.

La représente la trace de la quantité P(t) dans le plan complexe Re(P(t)), Im(P(t)) (cf. ), laquelle forme une boucle.There represents the trace of the quantity P(t) in the complex plane Re(P(t)), Im(P(t)) (cf. ), which forms a loop.

Préférentiellement, et comme il peut être observé sur la figure la variable de traitement A(t) représente l’aire de la boucle formée. Ainsi, une mesure de l’aire permet d’obtenir le décalage de fréquence d’interaction ΔfT. Preferably, and as can be observed in the figure, the processing variable A(t) represents the area of the loop formed. Thus, a measurement of the area makes it possible to obtain the interaction frequency shift Δf T.

La variable de traitement A(t) permet de relier l’amplitude de la sonde au début (instant t1 de la ) et à la fin de chaque pixel du procédé (instant t4).The processing variable A(t) makes it possible to connect the amplitude of the probe to the beginning (time t1 of the ) and at the end of each pixel of the process (time t4).

En l’absence de force d’interaction Fint, comme c’est le cas dans une telle étape de pré-mesure 101, aucune variation d’amplitude n’est attendue entre l’instant t1 et l’instant t4. La valeur de la variable de traitement A(t) est alors constante et nulle.In the absence of interaction force F int , as is the case in such a pre-measurement step 101, no variation in amplitude is expected between time t1 and time t4. The value of the processing variable A(t) is then constant and zero.

Lorsque la force d’interaction Fintn’est pas nulle entre t1 et t4 comme cela est le cas au cours de l’approche de la sonde de force 9 vers la surface, ou lors du balayage de la pointe 10 sur la surface, alors un décalage de fréquence d’interaction ΔfTest induit par rapport à la fréquence de résonance libre f0de la sonde de force 9.When the interaction force F int is not zero between t1 and t4 as is the case during the approach of the force probe 9 towards the surface, or during the scanning of the tip 10 on the surface, then an interaction frequency shift Δf T is induced relative to the free resonance frequency f 0 of the force probe 9.

Lorsque l’excitation de la sonde de force 9 est réalisée à la fréquence de pilotage fd, ceci se traduit par une variation d’amplitude (identiquement à ce qu’il se passe en AM-AFM). Une telle variation d’amplitude a pour effet de modifier la déflexion répétée sESE,N(t) à l’instant t4, faisant varier la quantité A(t).When the excitation of the force probe 9 is carried out at the control frequency f d , this results in an amplitude variation (identical to what happens in AM-AFM). Such a variation in amplitude has the effect of modifying the repeated deflection s ESE,N (t) at time t4, causing the quantity A(t) to vary.

L’on décrit une sous-étape de calibration 1012 du décalage de fréquence permettant de relier la variable de traitement A(t) au décalage de fréquence d’ interaction ΔfT.Lors d’une telle sous-étape de calibration 1012 du décalage de fréquence, la pointe 10 reste libre.We describe a calibration sub-step 1012 of the frequency shift making it possible to connect the processing variable A(t) to the interaction frequency shift Δf T. During such a calibration sub-step 1012 of the shift of frequency, tip 10 remains free.

La sonde de force 9 est avantageusement modélisée comme un oscillateur harmonique simple, de masse m s’exprimant comme suit :The force probe 9 is advantageously modeled as a simple harmonic oscillator, of mass m, expressed as follows:

, ,

de fréquence de résonance propre f0, de constante de raideur k0, et de facteur de qualité Q0.of natural resonance frequency f 0 , of stiffness constant k 0 , and of quality factor Q 0 .

La pulsation propre s’exprime comme suit :The proper pulsation is expressed as follows:

, ,

Un tel oscillateur harmonique présente une fonction de transfert mécanique H(ω) s’exprimant de la manière suivante :Such a harmonic oscillator has a mechanical transfer function H(ω) expressed as follows:

En considérant que la fréquence de résonance de la sonde de force 9 est réglée à une fréquence virtuelle fE, associée à la pulsation :Considering that the resonance frequency of the force probe 9 is set at a virtual frequency f E , associated with the pulsation:

l’on définit une fonction de transfert mécanique virtuelle H’(ω), laquelle s’exprime comme suit:we define a virtual mechanical transfer function H’(ω), which is expressed as follows:

Pour obtenir un signal de déflexion répété sESE,N(t) avec une telle sonde de force 9 qui entre en résonance à une fréquence virtuelle fE, le moyen d’excitation 12 est mis en excitation par un signal d’entrée virtuel e’ESE, N(t), qui se calcule à l’aide de l’équation suivante :To obtain a repeated deflection signal s ESE,N (t) with such a force probe 9 which resonates at a virtual frequency f E , the excitation means 12 is excited by a virtual input signal e ' ESE, N (t), which is calculated using the following equation:

La réponse de la sonde de force 9 à un tel signal d’entrée virtuel e’ESE, N(t) est le signal de déflexion répétée sESE,N(t) si la fréquence de résonance en interaction fTest effectivement égale à la fréquence virtuelle fE, et conduit à obtenir une mesure via les équations précédentes d’une variable de traitement A(t) nulle.The response of the force probe 9 to such a virtual input signal e' ESE, N (t) is the repeated deflection signal s ESE, N (t) if the interacting resonance frequency f T is effectively equal to the virtual frequency f E , and leads to obtaining a measurement via the previous equations of a zero processing variable A(t).

Lorsque la sonde de force 9 est libre, la fréquence de résonance réelle est la fréquence de résonance propre f0, donc la mesure de la variable de traitement A(t) pour un tel signal d’entrée virtuel e’ESE, N(t) n’est pas nulle, mais donne la mesure associée à un décalage de fréquence virtuel qui s’exprime comme suit :When the force probe 9 is free, the real resonance frequency is the natural resonance frequency f 0 , therefore the measurement of the processing variable A(t) for such a virtual input signal e' ESE, N (t ) is not zero, but gives the measurement associated with a virtual frequency shift which is expressed as follows:

. .

L’usage d’un décalage en fréquence virtuel ΔfEqui ne résulte pas d’une réelle force d’interaction pointe-surface, mais imposé par rapport à la fréquence de résonance propre f0, avec des conséquences équivalentes est particulièrement avantageux. En effet, l’on peut réaliser un étalonnage de l’AFM 1 sans qu’il soit nécessaire d’utiliser un échantillon.The use of a virtual frequency shift Δf E which does not result from a real tip-surface interaction force, but imposed in relation to the natural resonance frequency f 0 , with equivalent consequences is particularly advantageous. In fact, we can carry out a calibration of the AFM 1 without it being necessary to use a sample.

Ainsi, l’application du signal d’entrée virtuel e’ESE, N(t) avantageusement appliqué à la sonde de force 9 initialement immobile et libre de la force d’interaction Fint, permet de générer une réponse vibratoire impulsionnelle de la pointe 10, sinusoïdal et modulé en amplitude par un fonction d’enveloppe régulière. Le signal d’entrée virtuel e’ESE, N(t) est défini de sorte à ce que la déflexion de calibration s’ESE,N(t), signal de sortie en réponse à la vibration impulsionnelle de la pointe entre en résonance à la valeur de la fréquence de résonance d’étalonnage (fE)Thus, the application of the virtual input signal e' ESE, N (t) advantageously applied to the force probe 9 initially immobile and free from the interaction force F int , makes it possible to generate an impulse vibration response of the tip 10, sinusoidal and modulated in amplitude by a regular envelope function. The virtual input signal e' ESE, N (t) is defined so that the calibration deflection s' ESE,N (t), output signal in response to the impulse vibration of the tip enters into resonance at the value of the calibration resonance frequency (f E )

Le décalage de fréquence virtuel ΔfEétant indépendant du temps, en régime permanent, la valeur de la variable de traitement A(t) est alors constante, égale à une valeur stationnaire Asta.The virtual frequency shift Δf E being independent of time, in steady state, the value of the processing variable A(t) is then constant, equal to a stationary value A sta .

L’on fait varier la fréquence virtuelle fEdans un intervalle [f0-δf0; f0+δf0[ autour de la fréquence de résonance propre f0,permetttant de déterminer la correspondance entre la variable de traitement stationnaire Astaet le décalage de fréquence ΔfT.We vary the virtual frequency f E in an interval [f 0 -δf 0 ; f 0 +δf 0 [ around the natural resonance frequency f 0 , making it possible to determine the correspondence between the stationary processing variable A sta and the frequency shift Δf T.

Avantageusement, il est prédéfinit un ensemble de M valeurs de la fréquence virtuelle fEuniformément réparties dans l’intervalle [f0-δf0; f0+δf0[ autour de la fréquence de résonance propre f0. Une mesure de la déflexion de calibration pour chacune des valeurs de variable de traitement stationnaire Astaest réalisée.Advantageously, a set of M values of the virtual frequency f E uniformly distributed in the interval [f 0 -δf 0 ; f 0 +δf 0 [ around the natural resonance frequency f 0 . A measurement of the calibration deflection for each of the values of stationary processing variable A sta is carried out.

Préférentiellement, les valeurs de variable de traitement stationnaires obtenues Astasont tracées en fonction du décalage de fréquence virtuel ΔfEIl est obtenu une relation linéaire (ou pour le moins monotone) entre ces deux quantités de la forme :Preferably, the stationary processing variable values obtained A sta are plotted as a function of the virtual frequency shift Δf E. A linear (or at least monotonic) relationship is obtained between these two quantities of the form:

ΔfE(t) = β A(t)Δf E (t) = β A(t)

avec β (unités : Hz/m2) , qui est un coefficient de calibration.with β (units: Hz/m 2 ), which is a calibration coefficient.

Un tel coefficient de calibration permet de relier, au moment de l’approche ou lors du balayage de la pointe 10 sur la surface, la variable de traitement A(t) mesurée en temps réel au décalage de fréquence de virtuel ΔfE(t), et par conséquent au décalage de fréquence ΔfT(t) et ainsi d’assurer l’asservissement correct de la position verticale z de la surface.Such a calibration coefficient makes it possible to connect, at the time of approach or when scanning the tip 10 on the surface, the processing variable A(t) measured in real time to the virtual frequency offset Δf E (t) , and consequently to the frequency shift Δf T (t) and thus to ensure the correct control of the vertical position z of the surface.

Un exemple de réalisation d’une telle sous-étape de calibration 1012 est représentée . On trouve pour un tel exemple de réalisation un coefficient de calibration β = 477,45 Hz/nm2.An example of carrying out such a calibration sub-step 1012 is shown . We find for such an example of realization a calibration coefficient β = 477.45 Hz/nm 2 .

Au cours de l’étape de mesure 102, la sonde de force 9 est excitée au cours d’une sous-étape de mise en excitation 1021. L’excitation est effectuée avec les paramètres définis au cours de l’étape de prémesure 101 décrite ci-dessus.During the measurement step 102, the force probe 9 is excited during an excitation sub-step 1021. The excitation is carried out with the parameters defined during the pre-measurement step 101 described above.

Avantageusement de manière optionnelle, la mise en excitation est effectuée de manière continue, manière à pouvoir réaliser la mesure de la force d’interaction sur plusieurs pixels. Au cours d’une sous-étape de détection, décalage de fréquence ΔfTest effectué à partir de la mesure, préférentiellement continue de la variable de traitement A(t).Advantageously, optionally, the excitation is carried out continuously, so as to be able to measure the interaction force on several pixels. During a detection sub-step, frequency shift Δf T is carried out from the preferably continuous measurement of the processing variable A(t).

La régulation de la distance pointe-surface est préférentiellement réalisée sur la base du décalage de fréquence ΔfT.The regulation of the tip-surface distance is preferentially carried out on the basis of the frequency shift Δf T.

Au cours d’une sous-étape d’approche (non représentée sur les figures), la sonde de force 9 est approchée de la surface, donnant lieu à une modification continue de la variable de traitement A(t), la variation de la variable de traitement étant une conséquence du décalage de fréquence ΔfT.During an approach sub-step (not shown in the figures), the force probe 9 is approached to the surface, giving rise to a continuous modification of the processing variable A(t), the variation of the processing variable being a consequence of the frequency shift Δf T.

Au cours d’une sous-étape de détection du décalage 1022, le décalage de fréquence en interaction ΔfTest évalué à partir de la mesure, préférentiellement continue de la variable de traitement A(t).During an offset detection sub-step 1022, the interacting frequency offset Δf T is evaluated from the preferably continuous measurement of the processing variable A(t).

Lorsque la valeur du décalage de fréquence ΔfTatteint une valeur de consigne fixée par l’utilisateur, par exemple -3 Hz, l’approche est stoppée. Le balayage de la surface est alors initié.When the value of the frequency offset Δf T reaches a setpoint value set by the user, for example -3 Hz, the approach is stopped. Scanning of the surface is then initiated.

Etant donné que la détection de la force d’interaction Fintest réalisée de manière rapide (quelques périodes d’oscillation de la sonde) pour chaque pixel, la vitesse de balayage (i.e. la bande passante d’acquisition) peut être augmentée significativement par rapport au mode nc-AFM traditionnel utilisant une PLL.Given that the detection of the interaction force F int is carried out quickly (a few periods of oscillation of the probe) for each pixel, the scanning speed (ie the acquisition bandwidth) can be significantly increased by compared to the traditional nc-AFM mode using a PLL.

Le procédé ainsi décrit présente aussi l’avantage de pouvoir être adapté sur des AFM existants en y adaptant le module électronique MCU un support de stockage comprenant des instructions qui lorsque exécutées sur un dispositif informatique mettent en œuvre la commande du procédé de mesure (100).The method thus described also has the advantage of being able to be adapted to existing AFMs by adapting the electronic module MCU, a storage medium comprising instructions which, when executed on a computer device, implement the control of the measurement process (100). .

Claims (12)

Procédé de mesure (100) de la force d’interaction (Fint) entre une portion (3) d’un échantillon (4) et une pointe (10) d’une sonde de force (9) d’une tête AFM (1), la sonde de force (9) étant solidaire d’un moyen d’excitation (12), le moyen d’excitation (12) étant apte à vibrer en fonction d’un signal d’excitation (eESE,0(t), eESE,N(t)), le procédé comprenant:
  • une étape de pré-mesure (101) au cours de laquelle est définie la forme du signal d’excitation (eESE,0(t), eESE,N(t)), le signal d’excitation (eESE,0(t), eESE,N(t)) étant configuré pour engendrer, lorsque la pointe (10) est libre de toute force d’interaction, une déflexion libre ((sESE,0(t), sESE,N(t)), la déflexion libre (sESE,0(t), sESE,N(t)) formant un signal sinusoïdal modulé en amplitude par un signal d’enveloppe (η(t)) appartenant à la classe des fonctions régulières et définissant une impulsion, la sonde de force (9) entrant en résonance à une fréquence de résonance propre (f0),
  • une étape de mesure (102) comprenant
    • une sous-étape de mise en excitation (1021) de la sonde de force (9), au cours de laquelle le signal d’excitation (eESE,0(t), eESE,N(t)) est appliqué au moyen d’excitation (12)
    • une sous-étape de détection (1022) au cours de laquelle est évaluée un décalage de fréquence en interaction (ΔfT), différence entre la fréquence de résonance en interaction (fT) de la sonde de force (9) lorsque soumise à la force d’interaction (Fint), et la fréquence de résonance propre (f0), par l’intermédiaire d’une sous-étape de détection synchrone, permettant d’obtenir la mesure de ladite force d’interaction.
Method for measuring (100) the interaction force (Fint) between a portion (3) of a sample (4) and a tip (10) of a force probe (9) of an AFM head (1), the force probe (9) being secured to a excitation means (12), the excitation means (12) being able to vibrate as a function of an excitation signal (eESE,0(t),eESE,N(t)), the process comprising:
  • a pre-measurement step (101) during which the shape of the excitation signal (e ESE,0 (t), e ESE,N (t)), the excitation signal (e ESE,0) is defined (t), e ESE,N (t)) being configured to generate, when the tip (10) is free of any interaction force, a free deflection ((s ESE,0 (t), s ESE,N ( t)), the free deflection (s ESE,0 (t), s ESE,N (t)) forming a sinusoidal signal modulated in amplitude by an envelope signal (η(t)) belonging to the class of regular functions and defining a pulse, the force probe (9) resonating at a natural resonance frequency (f 0 ),
  • a measuring step (102) comprising
    • a sub-step of excitation (1021) of the force probe (9), during which the excitation signal (e ESE,0 (t), e ESE,N (t)) is applied by means excitement (12)
    • a detection sub-step (1022) during which an interaction frequency shift (Δf T ), difference between the interaction resonance frequency (f T ) of the force probe (9) is evaluated when subjected to the interaction force (F int ), and the natural resonance frequency (f 0 ), via a synchronous detection sub-step, making it possible to obtain the measurement of said interaction force.
Procédé de mesure (100) selon la revendication précédente,caractérisé en ce quel’enveloppe (η(t)) est :
  • nulle en dehors d’un intervalle de temps prédéterminé ayant pour borne inférieure une première valeur de temps (t1), et pour borne supérieure une quatrième valeur de temps (t4),
  • croissante entre la première valeur de temps (t1) et une deuxième une deuxième valeur de temps (t2) supérieure à la première valeur de temps (t1), mais inférieure à la quatrième valeur de temps (t4),
  • constante entre la deuxième valeur de temps (t2) et une troisième valeur de temps (t3), supérieure ou égale à la deuxième valeur de temps (t2),
  • décroissante entre la troisième valeur de temps (t3) et la quatrième valeur de temps (t4), la troisième valeur de temps (t3) étant inférieure à la quatrième valeur de temps (t4).
Measuring method (100) according to the preceding claim,characterized in thatthe envelope (η(t)) is:
  • zero outside a predetermined time interval having as its lower limit a first time value (t1), and as its upper limit a fourth time value (t4),
  • increasing between the first time value (t1) and a second a second time value (t2) greater than the first time value (t1), but less than the fourth time value (t4),
  • constant between the second time value (t2) and a third time value (t3), greater than or equal to the second time value (t2),
  • decreasing between the third time value (t3) and the fourth time value (t4), the third time value (t3) being less than the fourth time value (t4).
Procédé de mesure (100) selon la revendication précédente,caractérisé en ce quel’enveloppe (η(t)) est définie par une des fonctions suivantes :
  • sinusoïdale par morceau,
  • polynomiale par morceau,
  • ou une fonction s’exprimant comme suit :

la deuxième valeur de temps (t2) étant différente de la première valeur de temps (t1) et la quatrième valeur de temps (t4) étant différente de la troisième valeur de temps (t3).
Measuring method (100) according to the preceding claim,characterized in thatthe envelope (η(t)) is defined by one of the following functions:
  • sinusoidal by piece,
  • piecewise polynomial,
  • or a function expressed as follows:

the second time value (t2) being different from the first time value (t1) and the fourth time value (t4) being different from the third time value (t3).
Procédé de mesure (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce quel’étape de pré-mesure (101) et l’étape de mesure (102) sont effectuées une seule fois, le signal d’excitation est un signal d’excitation simple (eESE,0(t)) et la déflexion de la sonde de force (9) est une déflexion libre simple (eESE,0(t)), la forme du signal d’excitation simple (eESE,0(t)) est obtenue en appliquant une transformée de Fourier inverse à une fonction défini par :

EESE, 0(ω) étant la transformée de Fourier du signal d’entrée appliqué au moyen d’excitation, SESE,0(ω) la transformée de Fourier de la déflexion libre, G(ω) la fonction de transfert d’un résonateur (8), le résonateur (8) intégrant le moyen d’excitation (12) et la sonde de force (9).
Measuring method (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that the pre-measurement step (101) and the measurement step (102) are carried out only once, the excitation signal is a simple excitation signal (e ESE,0 (t)) and the deflection of the force probe (9) is a simple free deflection (e ESE,0 (t)), the form of the simple excitation signal ( e ESE,0 (t)) is obtained by applying an inverse Fourier transform to a function defined by:

E ESE, 0 (ω) being the Fourier transform of the input signal applied to the excitation means, S ESE , 0 (ω) the Fourier transform of the free deflection, G(ω) the transfer function of a resonator (8), the resonator (8) integrating the excitation means (12) and the force probe (9).
Procédé de mesure (100) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la transformée de Fourier inverse est appliquée à un résultat obtenu par une application à la fonction d’une fenêtre de Blackman–Harris, ledit résultat étant défini par la formule suivante:

EESE,0(ω) étant la transformée de Fourier du signal d’entrée appliqué au moyen d’excitation, SESE, 0(ω) la transformée de Fourier de la déflexion libre, G(ω) la fonction de transfert du résonateur (8), le résonateur intégrant le moyen d’excitation (12) et la sonde de force (9), et W(ω) la transformée de Fourier d’une fenêtre de Blackman–Harris.
Measuring method (100) according to the preceding claim, characterized in that the inverse Fourier transform is applied to a result obtained by an application to the function of a Blackman–Harris window, said result being defined by the following formula:

E ESE, 0 (ω) being the Fourier transform of the input signal applied to the excitation means, S ESE, 0 (ω) the Fourier transform of the free deflection, G(ω) the transfer function of the resonator (8), the resonator integrating the excitation means (12) and the force probe (9), and W(ω) the Fourier transform of a Blackman–Harris window.
Procédé de mesure (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce quel’étape de prémesure (101) englobe une sous-étape de calibration (1012) au cours de laquelle:
  • un signal d’entrée virtuel (e’ESE, N(t)) est défini,
  • au moins une fréquence de plusieurs fréquences de résonance virtuelle (fE) différente de la fréquence de résonance propre (f0) est sélectionnée, la fréquence virtuelle (fE) ayant une valeur sélectionnée dans une plage de valeur pouvant être atteinte par la fréquence de résonance en interaction (fT),
  • le signal d’entrée virtuel (e’(t)) choisi est appliqué à la sonde de force (9) initialement immobile et libre de la force d’interaction, de sorte à générer une réponse vibratoire impulsionnelle de la pointe (10) définissant une déflexion de calibration (s‘ESE,N(t)), sinusoïdal et modulé en amplitude par un fonction d’enveloppe régulière ,
  • des mesures de la déflexion de calibration (s‘ESE,N(t)), permettant de déterminer un coefficient de calibration (β), le coefficient de calibration (β) étant proportionnel à une variable de traitement A(t).
Measuring method (100) according to any one of the preceding claims,characterized in thatthe pre-measurement step (101) includes a calibration sub-step (1012) during which:
  • a virtual input signal (e' ESE, N (t)) is defined,
  • at least one frequency of several virtual resonance frequencies (f E ) different from the natural resonance frequency (f 0 ) is selected, the virtual frequency (f E ) having a value selected from a value range that can be reached by the frequency interacting resonance (f T ),
  • the chosen virtual input signal (e'(t)) is applied to the force probe (9) initially immobile and free from the interaction force, so as to generate an impulse vibration response of the tip (10) defining a calibration deflection (s' ESE,N (t)), sinusoidal and modulated in amplitude by a regular envelope function,
  • measurements of the calibration deflection (s' ESE,N (t)), making it possible to determine a calibration coefficient (β), the calibration coefficient (β) being proportional to a processing variable A(t).
Procédé de mesure selon la revendication précédente, en tant qu’elle dépend de l’une des revendications 4 ou 5,caractérisé en ce quele signal d’entrée virtuel (e’ESE, N(t)) est défini par la formule suivante :

dans laquelle désigne la transformée de fourrier inverse, SESE, N(ω) la transformée de Fourier de la déflexion libre répétée, H(ω) étant une modélisation d’une fonction de transfert harmonique idéale de la sonde de force (9) entrant en résonance à la fréquence de résonance libre (f0), H’(ω) étant une fonction de transfert harmonique fictive de la sonde de force (9) entrant en résonance à la fréquence de résonance virtuelle (fE), G(ω) la fonction de transfert du résonateur (8), et W(ω) une fenêtre de Blackman–Harris.
Measuring method according to the preceding claim, insofar as it depends on one of claims 4 or 5, characterized in that the virtual input signal (e' ESE, N (t)) is defined by the following formula :

in which denotes the inverse Fourier transform, S ESE, N (ω) the Fourier transform of the repeated free deflection, H(ω) being a modeling of an ideal harmonic transfer function of the force probe (9) entering into resonance at the free resonance frequency (f 0 ), H'(ω) being a fictitious harmonic transfer function of the force probe (9) entering into resonance at the virtual resonance frequency (f E ), G(ω) la transfer function of the resonator (8), and W(ω) a Blackman–Harris window.
Procédé de mesure selon l’une quelconque des revendications 6 ou 7,caractérisé en ceque lors de la sous-étape de calibration (1012), et lors de l’étape de mesure (102) ; il comprend une sous-étape de traitement au cours de laquelle il est réalisé
  • une multiplication d’une déflexion (sESE,0(t), sESE,N(t), s‘ESE,N(t)) avec un signal harmonique complexe permettant l’obtention d’un signal de sortie traité P(t) par détection synchrone,
  • une représentation de la partie réelle et de la partie imaginaire du signal de sortie traité P(t) sur un plan complexe, le signal de sortie traité P(t) ainsi représenté formant une boucle (13),
  • une mesure de l’aire (A) de la boucle (13), l’aire (A) de la boucle (13) étant proportionnelle au décalage de fréquence (ΔfE,ΔfT).
Measuring method according to any one of claims 6 or 7,characterized in thatonly during the calibration sub-step (1012), and during the measurement step (102); it includes a processing sub-step during which it is carried out
  • a multiplication of a deflection (s ESE,0 (t), s ESE,N (t), s' ESE,N (t)) with a complex harmonic signal making it possible to obtain a processed output signal P( t) by synchronous detection,
  • a representation of the real part and the imaginary part of the processed output signal P(t) on a complex plane, the processed output signal P(t) thus represented forming a loop (13),
  • a measurement of the area (A) of the loop (13), the area (A) of the loop (13) being proportional to the frequency shift (Δf E, Δf T ).
Procédé de mesure selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce queles étapes de prémesure (101) et de mesure (102) sont répétée dans le temps, de sorte à permettre la mesure de la force d’interaction (Fint) sur N portions, la déflexion étant une déflexion libre répétée (sESE,N(t)) qui s’exprime comme suit :


(n) correspondant au nombre de fois où l’étape de prémesure est effectuée et Tpcorrespondant à une durée de la mesure.
Measuring method according to any one of the preceding claims , characterized in that the pre-measurement (101) and measurement (102) steps are repeated over time, so as to allow the measurement of the interaction force (F int ) over N portions, the deflection being a repeated free deflection (s ESE,N (t)) which is expressed as follows:


(n) corresponding to the number of times the premeasurement step is carried out and T p corresponding to a duration of the measurement.
Produit programme d’ordinateur implanté sur un module électronique (MCU) comprenant un support de stockage comprenant des instructions qui lorsque exécutées sur un dispositif informatique mettent en œuvre la commande du procédé de mesure (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes.Computer program product installed on an electronic module (MCU) comprising a storage medium comprising instructions which, when executed on a computing device, implement the control of the measurement method (100) according to any one of the preceding claims. Support mémoire comprenant le produit programme d’ordinateur selon la revendication précédente.Memory medium comprising the computer program product according to the preceding claim. AFM comprenant le support mémoire selon la revendication précédente.AFM comprising the memory medium according to the preceding claim.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6008489A (en) * 1997-12-03 1999-12-28 Digital Instruments Method for improving the operation of oscillating mode atomic force microscopes
US20150338437A1 (en) * 2014-08-05 2015-11-26 National Institute Of Standards And Technology Intermittent contact resonance atomic force microscope and process for intermittent contact resonance atomic force microscopy

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6008489A (en) * 1997-12-03 1999-12-28 Digital Instruments Method for improving the operation of oscillating mode atomic force microscopes
US20150338437A1 (en) * 2014-08-05 2015-11-26 National Institute Of Standards And Technology Intermittent contact resonance atomic force microscope and process for intermittent contact resonance atomic force microscopy

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