JP4960451B2 - 走査プローブ顕微鏡及びその動作方法 - Google Patents
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Description
特定の実施形態の説明を行う前に、この明細書と請求項で使用されている以下の用語について明確に規定する。
第1のステップでは、PI制御装置8の適切な設定点m0が決定される。これは例えば次の2つの方法のうちの1つを使用して行われることができる。
a)プローブ2とサンプル3との間に大きな静電気の相互作用が生じないようにプローブ2はサンプル3から引っ込められる。この位置では、カンチレバー1はマスター信号fの周波数で自由に振動することができる。測定された信号m(ψ)はこれらの状態下で設定点m0として使用される。それに続いてプローブ2は静電気の相互作用が生じるように、サンプル3に近づいた測定位置へ移動される。
第1のステップで、PI制御装置11と12の適切な設定点ψ0とA0が決定される。位相設定点ψ0は自由共振で、即ち静電気力のない共振でカンチレバー2を動作するときに偏向振動の位相シフトに設定される利点がある。設定点ψ0は例えばサンプル3からプローブ2を離すか、または接触電位差に対応する電圧をそれに与え、振幅Aが最大値になるまで周波数を調節することにより求められることができ、この場合位相ψは所望の設定点ψ0に等しい。A0は所望の最大振幅Aに設定される。
a)プローブ2はプローブ2とサンプル3との間で顕著な静電的相互作用が存在しないようにサンプル3から引っ込められる。この位置では、カンチレバー1はマスター信号fの周波数で自由に振動することができる。これらの状態下で測定された信号Kは設定点K0として使用される。したがってプローブ2は静電気の相互作用が生じるように、サンプル3に近づくように測定位置へ位置される。
前述の説明から、本発明は種々の異なる実施形態で実行されることができ、その幾つかが図1乃至図4に示されていることが明白である。さらに別の設計が可能であることにも注意しなければならない。
−共振器の高いQ係数では、応答時間は良好であり、
−共振器は共振周波数のシフトにしたがい、それにより振幅の不所望な変化を避ける。
−共振器の高いQ係数では、応答時間は良好であり、
−振幅が一定であるならば、信号の解釈はさらに容易である。
Claims (10)
- サンプルの特性を測定するための走査プローブ顕微鏡において、
機械的共振器(1)上のプローブ(2)と、
周波数fでマスター信号(S)を発生する発振器(4)と、
前記マスター信号(S)により駆動され、機械力を前記周波数fで前記機械的共振器(1)へ与えるアクチュエイタ(5)と、
DC電圧(Udc)を前記プローブ(2)へ供給するDC電圧源と、
前記周波数fのAC電圧(Uac)を前記プローブ(2)へ供給するAC電圧源と、
前記機械的共振器(1)の偏向の位相および/または振幅を測定する検出器(6)とを具備し、前記走査プローブ顕微鏡はさらに、
前記アクチュエイタ(5)を制御し、前記偏向の位相および、または振幅を一定に維持するように構成されている駆動装置(11、12;20)と、
前記マスター信号(S)のそれぞれ周波数または振幅の設定点を有し、前記マスター信号(S)の前記周波数または振幅をそれぞれ前記設定点に維持するために前記DC電圧(Udc)を制御する二次制御ループ(9)を具備し、ここで、
駆動装置(11、12;20)が偏向の振幅ではなく位相を一定に維持するならば、前記二次制御ループ(9)は前記設定点における周波数を維持し、
駆動装置(11、12;20)が偏向の位相ではなく振幅を一定に維持するならば、前記二次制御ループ(9)は前記マスター信号(S)の振幅を前記設定点の値に維持し、または、
駆動装置(11、12;20)が偏向の振幅および位相を一定に維持するならば、前記二次制御ループ(9)はマスター信号の振幅または周波数を前記設定点に維持するように構成されている走査プローブ顕微鏡。 - 前記駆動装置(11、12;20)は、前記偏向の位相および/または振幅のそれぞれ位相設定点(ψ0)および/または振幅設定点(A0)を有し、前記偏向の位相および/または振幅のそれぞれを前記位相設定点(ψ0)および/または振幅設定点(A0)に維持するために前記マスター信号(S)のそれぞれ周波数または振幅を制御する一次制御ループ(11、12)を具備している請求項1記載の走査プローブ顕微鏡。
- 前記一次制御ループ(11、12)は前記二次制御ループ(9)よりも高速度である請求項2記載の走査プローブ顕微鏡。
- 前記偏向の位相の位相設定点(ψ0)を有し、前記偏向の位相を位相設定点(ψ0)に維持するために前記マスター信号(S)の周波数を制御する第1の一次制御ループ(11)と、
前記偏向の振幅の振幅設定点(A0)を有し、前記偏向の振幅を前記振幅設定点(A0)に維持するために前記マスター信号(S)の振幅を制御する第2の一次制御ループ(12)を有する請求項2または3記載の走査プローブ顕微鏡。 - 前記位相設定点(ψ0)は前記機械的共振器(1)を自由共振で動作するときの偏向の位相に設定される請求項2乃至4のいずれか1項記載の走査プローブ顕微鏡。
- 前記二次制御ループ(9)が前記マスター信号(S)の周波数を一定に維持する場合には、前記偏向に関する前記AC電圧(Uac)の位相シフトは、前記プローブ(2)上で前記AC電圧(Uac)により発生される静電気力が一次近似で前記偏向の振幅の直接変化ではなく位相シフトを誘起するようにされ、または、
前記二次制御ループ(9)が前記マスター信号(S)の振幅を一定に維持する場合には、前記偏向に関する前記AC電圧(Uac)の位相シフトは、前記プローブ(2)上で前記AC電圧(Uac)により発生される静電気力が一次近似で前記偏向の振幅の直接位相シフトではなく振幅の変化を誘起するようにされている請求項1乃至5のいずれか1項記載の走査プローブ顕微鏡。 - サンプルの特性を測定するための走査プローブ顕微鏡において、
機械的共振器(1)上のプローブ(2)と、
周波数fでマスター信号を発生する発振器(4)と、
前記マスター信号により駆動され、機械力を前記周波数fで前記機械的共振器(1)へ与えるアクチュエイタ(5)と、
DC電圧(Udc)を前記プローブ(2)へ与えるDC電圧源と、
前記周波数fのAC電圧(Uac)を前記プローブ(2)へ与えるAC電圧源と、
前記機械的共振器(1)の偏向の位相および/または振幅を測定する検出器(6)とを具備し、
前記走査プローブ顕微鏡はさらに、
前記偏向の位相に基づいた信号の設定点(m0)を有し、前記信号を前記設定点に維持するために前記DC電圧(Udc)を制御する制御装置(9)と、
前記周波数fで前記AC電圧(Uac)により前記プローブ(2)へ発生された力が前記偏向の位相シフトを生じるように、前記AC電圧(Uac)と前記偏向との間に位相を設定する位相シフタ(8)とを具備している走査プローブ顕微鏡。 - 請求項1乃至6のいずれか1項記載の走査プローブ顕微鏡の動作方法において、
前記DC電圧(Udc)から前記サンプルの電気特性を決定するステップを含んでいる走査プローブ顕微鏡の動作方法。 - 前記機械的共振器(1)を動作することにより前記位相設定点(ψ0)または振幅設定点(A0)を共振に設定するステップを含んでおり、一方で、
前記プローブ(2)は前記サンプルから、プローブ(2)とサンプル間の静電気の相互作用が無視できる程度である距離にあり、
接触電位差に一致するDC電圧がプローブ(2)とサンプルとの間の静電気の相互作用を除去するため前記プローブ(2)に与えられている請求項8記載の方法。 - 請求項7記載の走査プローブ顕微鏡の動作方法において、
前記DC電圧(Udc)から前記サンプルの電気特性を決定するステップを含んでいる走査プローブ顕微鏡の動作方法。
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