JP2000028511A - カンチレバー振幅測定方法および非接触原子間力顕微鏡 - Google Patents
カンチレバー振幅測定方法および非接触原子間力顕微鏡Info
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Abstract
ーの発振振幅を直接正確に求められるようにする。 【解決手段】 非接触原子間力顕微鏡のカンチレバーを
加振して固有周波数で発振させた状態で試料1とカンチ
レバー2間の距離を変化させたときの距離変化に対する
カンチレバー発振周波数の変化特性を、異なるカンチレ
バー加振振幅に対してそれぞれ測定し、各カンチレバー
加振振幅に対する前記変化特性の急激な立ち上がり位置
の差からカンチレバーの発振振幅を求めるものである。
Description
鏡(以下AFMという)に関し、特にカンチレバーの発
振振幅を直接求められるようにした方法、および係る方
法を用いた非接触原子間力顕微鏡に関するものである。
チレバー2の先端を原子間力が作用する程度に近接させ
で走査し、試料表面の形状を観察する原子間力顕微鏡が
知られている。このような原子間力顕微鏡においては、
試料1とカンチレバー2の先端を近づけていくと、最初
両者間に引力が働き、さらに接近させると斥力が作用
し、これら作用する力を一定にするように試料1とカン
チレバー2の間の距離を制御することにより試料表面の
形状観察が行われる。
を検出する方式では、試料とカンチレバーが非常に接近
している(実際にはカンチレバーを試料に押しつけた状
態)ために、試料とカンチレバーの相互作用が強くなる
と試料表面を破壊してしまう。そこで、試料とカンチレ
バーが比較的離れた所で働く引力を検出することで、試
料とカンチレバーを接触させることなく、試料の形状を
観察する非接触AFMが考えられた。しかし、斥力は、
試料とカンチレバー間の距離依存性が強いので、カンチ
レバーの撓みを測定することで検出することができる
が、引力は距離依存性が弱いので、カンチレバーの撓み
から引力を検出することは難しい。そこで、試料とカン
チレバー間の引力を検出する方法の1つとして周波数変
調(FM)検出法が用いられている。
ロック図である。試料1は、X,Yドライバー(図示せ
ず)およびZドライバー5で駆動されるピエゾスキャナ
ー9により、X,Y方向に2次元走査されるとともに、
Z方向に動かされるようになっている。カンチレバー2
の根元に接続したピエゾ素子4に発振制御アンプ3より
加振信号を加え、カンチレバー2をその共振周波数で振
動させる。カンチレバーの発振による変位は、その先端
にレーザ6からレーザ光を照射し、その反射を2分割光
センサー7で受光し、センサの各受光面の出力の差から
検出する光てこ方式を用いて検出している。発振制御ア
ンプ3は2分割光センサー7の出力が一定となるように
ピエゾ素子4を駆動する。FM復調器8は2分割光セン
サー7の出力を、その周波数に応じた電圧信号に変換
し、その出力でZドライバー5を駆動し、カンチレバー
と試料との間の距離が一定に保たれるようにし、この時
のZ駆動電圧が距離に換算されて画像信号として取り出
される。このようにカンチレバー2は共振周波数で振動
するが、カンチレバー2を試料に接近させ、試料との間
で力を受けると共振周波数が変化する。そこで共振周波
数が一定となるようにZドライバー5の駆動電圧を変化
させ、カンチレバーと試料と間の距離を一定に保つよう
に制御したときのZドライバー5の駆動電圧から試料表
面の凹凸の情報が得られて観察される。
触AMFは試料とカンチレバーを接触させることなしに
観察することから、カンチレバーと試料間の相互作用
(原子間力、静電気力等)の解析に用いられる。これに
は、カンチレバーと試料間の距離を正確に知る必要があ
り、カンチレバーの発振振幅を求めることが必要とな
る。カンチレバーを発振させると、2分割光センサーの
出力も正弦波となる。この正弦波の振幅とカンチレバー
の発振振幅は比例関係にあるが、発振振幅の絶対値に直
接換算することはできず、発振振幅自体の大きさを求め
ることはできない。また、カンチレバーの個体差やレー
ザ光のアライメント等により一定ではないので、カンチ
レバーを交換したり、アライメントを調整したときに
は、求め直す必要がある。
ースカーブ(Z方向距離に対する2分割光センサー出
力)により発振振幅を求める方法が考えられる。図7は
コンタクトモードAFMにおけるフォースカーブを示し
ている。フォースカーブとは、カンチレバーを試料に近
づけて接触させ、また遠ざけていった時のZ方向の距離
の変化に対する2分割光センサーの出力周波数変化をカ
ーブに描いたもので、カンチレバーが試料と接触してい
る部分では直線を描く。この直線部分よりカンチレバー
の変位と2分割光センサーの出力周波数の関係を求める
ことができる。しかしこの方法は、カンチレバーを試料
に押しつけた部分を用いるので、試料表面やカンチレバ
ー先端を破壊する恐れがある。また、柔らかい試料で
は、カンチレバーを押しつけると試料が変形して正確な
関係を求めることができない。本発明は上記課題を解決
するためのもので、非接触原子間力顕微鏡においてカン
チレバーの発振振幅を直接正確に求められるようにする
ことを目的とする。
幅測定方法は、非接触原子間力顕微鏡のカンチレバーを
加振して固有周波数で発振させた状態で試料とカンチレ
バー間の距離を変化させたときの距離変化に対するカン
チレバー発振周波数の変化特性を、異なるカンチレバー
加振振幅に対してそれぞれ測定し、各カンチレバー加振
振幅に対する前記変化特性の急激な立ち上がり位置の差
からカンチレバーの発振振幅を求めることを特徴とす
る。また、本発明の非接触原子間力顕微鏡は、先端が試
料に対向し、一端を加振手段に固定したカンチレバー
と、カンチレバーの変位を検出する変位検出器と、変位
検出器の出力が入力され、該出力を一定にするように前
記加振手段を制御する増幅器と、前記変位検出器出力の
周波数を検出する周波数検出器と、試料を2次元的に駆
動すると共に、前記検出した周波数が一定となるように
試料とカンチレバー先端との距離を変化させる試料駆動
手段とを備えた非接触原子間力顕微鏡において、前記増
幅器を制御して異なる加振電圧で加振手段をそれぞれ駆
動させると共に、各加振電圧における試料とカンチレバ
ー先端との距離変化に対する発振周波数の変化を前記周
波数検出器出力より検出し,各加振電圧における前記発
振周波数の急激な立ち上がり位置の差よりカンチレバー
の発振振幅を算出する制御装置を備えたことを特徴とす
る。
微鏡のブロック構成図、図2〜図4はカンチレバーの発
振振幅を求める方法を説明する図である。図1の構成は
基本的に図6と同様であり、ピエゾ素子4の加振電圧を
変化させ、その時の周波数変位出力から各加振電圧にお
けるフォースカーブを求め、これよりカンチレバーの発
振振幅を求める制御装置10が付加されている点のみ異
なっている。この制御装置10による制御を図2〜図4
により説明する。
るフォースカーブを示している。発振制御アンプ3の出
力でピエゾ素子4を駆動し、カンチレバー2を共振周波
数で発振させた状態で2分割光センサー7の出力をFM
復調器8で検出し、Zドライバー5により試料とカンチ
レバー間の距離(Z方向距離)を変化させた時の発振周
波数の変位量を測定し、フォースカーブを求める。図2
において、横軸はZ方向の距離、縦軸は周波数の変位量
(FM復調器8の出力)である。カンチレバーが試料か
ら離れているときには周波数変化はない。このカンチレ
バーを試料に接近させ、カンチレバーに力が加わると、
急激に発振周波数が変化する。
(正弦波)の振幅をAとした時(図3(a))、実際の
カンチレバーの発振振幅をaとし(図3(b))、フォ
ースカーブの周波数の急激な立ち上がりのZ方向位置を
Zaとする(図3(c))。いま、図1の制御装置10
により発振制御アンプ3を制御して、ピエゾ素子4に加
える加振電圧を変化させ、2分割光センサー出力の振幅
B=A/2(図4(a))としたとき、カンチレバーの
発振振幅は2分割光センサーの出力と比例関係にあるこ
とから、b=a/2となる(図4(b))。また、この
ときのフォースカーブの立ち上がりのZ方向位置をZb
とする(図4(c))。カンチレバーの発振振幅をaか
らa/2に変化させたとき、カンチレバー先端の基準位
置(振動方向中心位置)と試料間の距離はa/4だけ変
化したことになり、これがZ方向の距離(Za−Zb)
に相当するので、 a/4=Za−Zb a=4(Za−Zb) となる。このように、加振振幅を変化させてフォースカ
ーブを測定することによって、カンチレバーの発振振幅
を求めることができる。制御装置10では、以上の処理
を自動化して行う機能をもっている。この方法は、図7
に示したようなフォースカーブの直線部分を使用せず、
急激な周波数の変化またはFM復調器の出力の変化を用
いているので、カンチレバーや試料の状態に影響なく、
安定してカンチレバーの発振振幅を正確に求めることが
できる。
の間に働く力の検出にFM検出法を用いているが、直接
周波数変化を測定する方法等によっても良く、またカン
チレバーの加振方法も加振電圧振幅一定方式や発振振幅
一定方式等があり、これを用いても良い。また、カンチ
レバーの変位の検出に光てこ方式を使用したが、光干渉
法やカンチレバーにバイモルフを使用する等その他の方
法を用いてもよい。
FMによる試料とカンチレバーの間に働く相互作用の解
析に必要なカンチレバーの発振振幅をカンチレバーや試
料の状態に影響なく、安定し、かつ簡便に正確に求める
ことが可能となる。
成図である。
する図である。
する図である。
する図である。
示す図である。
…ピエゾ素子、5…ドライバ、6…レーザ、7…2分割
光センサ、8…FM復調器、9…ピエゾスキャナ、10
…制御装置。
Claims (2)
- 【請求項1】 非接触原子間力顕微鏡のカンチレバーを
加振して固有周波数で発振させた状態で試料とカンチレ
バー間の距離を変化させたときの距離変化に対するカン
チレバー発振周波数の変化特性を、異なるカンチレバー
加振振幅に対してそれぞれ測定し、各カンチレバー加振
振幅に対する前記変化特性の急激な立ち上がり位置の差
からカンチレバーの発振振幅を求めることを特徴とする
カンチレバー振幅測定方法。 - 【請求項2】 先端が試料に対向し、一端を加振手段に
固定したカンチレバーと、カンチレバーの変位を検出す
る変位検出器と、変位検出器の出力が入力され、該出力
を一定にするように前記加振手段を制御する増幅器と、
前記変位検出器出力の周波数を検出する周波数検出器
と、試料を2次元的に駆動すると共に、前記検出した周
波数が一定となるように試料とカンチレバー先端との距
離を変化させる試料駆動手段とを備えた非接触原子間力
顕微鏡において、 前記増幅器を制御して異なる加振電圧で加振手段をそれ
ぞれ駆動させると共に、各加振電圧における試料とカン
チレバー先端との距離変化に対する発振周波数の変化を
前記周波数検出器出力より検出し,各加振電圧における
前記発振周波数の急激な立ち上がり位置の差よりカンチ
レバーの発振振幅を算出する制御装置を備えたことを特
徴とする非接触原子間力顕微鏡。
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---|---|---|---|
JP19476298A JP3754821B2 (ja) | 1998-07-09 | 1998-07-09 | カンチレバー振幅測定方法および非接触原子間力顕微鏡 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1998
- 1998-07-09 JP JP19476298A patent/JP3754821B2/ja not_active Expired - Fee Related
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