JPH06241762A - 摩擦力顕微鏡 - Google Patents
摩擦力顕微鏡Info
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- JPH06241762A JPH06241762A JP2949093A JP2949093A JPH06241762A JP H06241762 A JPH06241762 A JP H06241762A JP 2949093 A JP2949093 A JP 2949093A JP 2949093 A JP2949093 A JP 2949093A JP H06241762 A JPH06241762 A JP H06241762A
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Abstract
らず、試料固有の摩擦力をS/Nより測定できる摩擦力
顕微鏡の提供を目的とする。 【構成】 板バネ2にねじりが生じる方向の走査信号
に、発振器140より微少な交流信号を重畳させながら
走査し、この応答出力を位相検波器150により位相検
波し、A/D変換器120bを通し、走査信号とともに
画像表示装置121により摩擦像を得る。
Description
査し、この探針−試料間に働く力を画像化する原子間力
顕微鏡に関するものである。
微鏡(Atomic Force Microscope)は、STMの発明者で
あるG.Binniig らによって考案された(Physical Review
Letters Vol.56 P930 1986)以来、絶縁物物質の表面形
状観察手段として研究が進められている。
板バネで変位に変え、この変位を光学的手段等で検出
し、前記板バネの変位量が一定になるように、ピエゾ素
子をフィードバック制御する。この制御信号が形状情報
となる。変位検出系としては、図1にレバーの変位を光
路の変化とし検出する光テコ方式や光波干渉を用いた方
式がある。図1において、2は板ばね、14はフレー
ム、118はレーザードライバー、106は半導体レー
ザ、108はレンズa、110は鏡、109はレンズ
b、111は光検出素子、215は2分割のポジショ
ン、センシティブ・ディテクタ、191は差分アンプ、
120はサーボ系、122はコンピュータ、105は粗
動機構、104は微動素子であるPZT、101は試
料、102は先端探針である。摩擦力顕微鏡は光テコ方
式に属するので、今後は光テコ方式について記す。
において、2は板バネ、106は半導体レーザー、11
0は鏡、115は4分割ポジション・センシティブ・デ
ィテクタ、192はプリアンプ、120aはZ軸サーボ
系、120bはA/Dコンバータ、121は画像表示装
置、130はx,yサスタースキャン系、104はPZ
T、101は試料である。板バネ2は、板バネ2の垂直
方向の変位および試料と探針の摩擦により生じるねじれ
が生じる。半導体レザー106よりの光は、板バネ2の
背面で反射され、4分割のポジション・センシティブ・
ディテクタ(Position Sensitive Detector:以下P.S.D.
と略す)115 により検出される。板バネの垂直方向の変
位Zsig は、4分割された信号の|(IA +IB )−
(IC+ID )|で得られ、板バネ2のねじれすなわち
試料の水平方向の摩擦力Fsigは4分割された信号の|
(IA +ID )−(IB +IC )|により求まる。Zsi
g は、従来のAFMと同様Z軸サーボ系120aに入力
し、板バネの変位が一定になるように三次元スキャナP
ZT104を制御する。一方、x,yラスタースキャン
系130によりPZT104をx,yラスター走査し、
同時にZsig 信号を画像表示装置121により表示する
と形状像(TOPO像)になり、Fsig 信号を表示する
と摩擦像になる。従って直流方式摩擦力顕微鏡は、従来
のTOPO像と摩擦像を同時に得ることができる。
微鏡において、試料の傾き形状によらず、試料固有の摩
擦力をS/Nよく測定できる摩擦力顕微鏡の提供を目的
とするものである。
方式摩擦力顕微鏡に対して、板バネにねじりが生じる方
向の走査信号に微少な交流信号を重畳させながら走査
し、この応答出力を位相検波する手段により、微少交流
走査に対する摩擦力を検出するものである。
料各点での摩擦力が測定できる。
き説明する。図3に示すように、試料101は、三次元
スキャナ(PZT)104の上に載せられ、xラスタス
キャン系130aおよびyラスタスキャン系130bラ
スタスキャナによって鋸歯状波を与えられ平面的走査を
行う。ここでは板バネ2のねじれ方向(x方向)のラス
タースキャン系130aに発振器140より微少な交流
信号が重畳されている。試料101の形状および摩擦を
反映した板バネ2の垂直方向の変位およびねじれによる
水平方向の変位を4分割のP.S.D.115により検出す
る。それぞれの検出器(A〜C)までの信号は、プリア
ンプ192により、板バネの垂直方向の変位、Zsig |
=(IA +IB )−(IC +ID )|と、水平方向の変
位Fsig =|(IA +ID )−(IB +ID )|に構成
される。Zsig は従来のAFMと同様にZ軸サーボ系1
20aに入力され、板バネ2の垂直方向の変位を一定に
なるように、三次元スキャナ(PZT)104を制御す
る。この制御信号をA/D変換器120bを通し、前記
xラスタスキャン系130a、yラスタスキャン系13
0bの信号とともに画像表示装置121により形状デー
タが得られる。
ンプ)150により位相検波され、Fsig meanとなり、
A/D変換器120bを通し、前記ラスタスキャン信号
とともに画像表示装置121により摩擦像が得られる。
次に、交流方式摩擦力顕微鏡の原理を示す。板バネ2の
ねじれ方向(x方向)のPZT104の変位をxl とす
ると xl =α(t) +βsin ωt (1) となる。
画像取り込み点である。図4に示すようにα(t)をラ
ンプ関数とし、βを重畳した交流の振幅に対応する変位
の振幅ωを交流の角周波数とする。今、画像の1ライン
を走査する時間をT1 、観測ピクセル数をnとすると、
料と探針間に働く摩擦力は、
VXS ) は板バネに印加された力FV と探針試料間の面積
sをかけたような関数形である。a1 a2 は試料に固有
な比例係数であり、d2 xl /dt2 以上の項は微少と
思われる。今、走査により図5に示すように探針がxl1
傾いたとすると摩擦力Fm はバネのねじり力と釣り合っ
たので、 xl1=g(xl ) (4) Fm =Ct xl1=Ct γθl =Ct γk Fsig (5) ( g(xl ) =xl 関数 Ct =板バネのねじり方向のバネ定数 γ =探針長さ θl =光線の振れ角 k =比例定数 ) の上式が得られる。
に対応した信号Fsig を測定することによって、その点
のFm がわかる。今 xl は1)式に示す交流であるの
でFm は、摩擦力の周波数応答を示す。簡単のために例
として、摩擦を速度に比例する項のみとした場合は、 Fm =Ct a2 βω cos (ωt −δ) (6) ここでδは位相遅れである。角周波数ωで位相検波する
と、 Fm =Ct a2 βω cosφ φ=ωt−δ となり、Ct ,β,ω,δが一定として試料に固有のa
2 を求めることができる。測定のモードとしては、図6
に示すように各ピクセルごとでαt=一定とするような
走査を行い各ピクセルごとに位相検波を同期して行え
ば、2式の条件は緩和される。P1 〜Pn は画像取り込
み点である。
アに変化させ、その時の摩擦力を観測することにより、
図7に示すように摩擦力の周波数依存性が容易に得られ
る。この量は試料の構成分子特有のものであり、構成分
子の選択性を得ることができる。
で得られなかった以下に示す利点を持つ。 S/N比が良いこと、これは信号の周波数帯域が直
流方式の帯域に比較して狭くできるためである。
図8に昇り勾配の場合を示す。図8において、Fl は水
平方向の力、Fs は試料に平行な力、Fv は垂直方向の
力である。試料の傾き勾配をθとすると、Fl =Fs co
s θ、Fv =Fs sin θと表わせる。勾配のないところ
では、Fl =Fs である。
は、走査に伴って試料と垂直方向の分力FV (押しつけ
る方向)が働き、この力によって見掛け上摩擦力が増加
したように見える。交流方式の場合は、一周期のうちの
昇り勾配と下り勾配が等しく生じ、この分力の影響を打
ち消すことが可能となる。
得られ、この関係は構成分子の組成、形状等と分子に固
有のものであるので、分子種の選択、あるいは分子の状
態の変化等が観測できる。 前記測定モードで述べたように、直流方式の場合は
探針の走査速度が摩擦力を与える速度と一致するが交流
方式の場合は、探針の走査速度(画像を取り込む速度)
と摩擦力を与える速度とを分離でき、広範囲な設定条件
で試料評価ができる。
図である。
る。
ク図である。
ある。
る。
Claims (3)
- 【請求項1】 試料表面より受ける原子間力や摩擦力
を、変位に変換する板バネと、その変位をレーザ光の照
射によって反射光の位置ずれとして光検出素子にて検出
する変位検出手段と、試料と板バネを三次元的に走査す
る粗動機構および微動素子と、板バネの変位を一定にす
るように微動素子を制御する手段を有するプローブ顕微
鏡において、板バネのねじれ方向のラスタスキャナー部
に微少な周期関数の摂動を加え検出された信号を上記周
期関数と同期して位相検波し、試料の表面形状と摩擦の
面分布を同時に測定することを特徴とする摩擦力顕微
鏡。 - 【請求項2】 上記摩擦力顕微鏡において、試料面の任
意の複数点の場所で探針の走査を中断し、この点におい
て上記微少周期関数の、振幅または周波数を変化させて
摩擦力の走査速度依存性マッピングすることができる請
求項1に記載の摩擦力顕微鏡。 - 【請求項3】 上記摩擦力顕微鏡において、走査の各ピ
クセルにおいて、ランプ状の電圧印加を一定とし、前記
微少周期関数を印加し、この信号と同期して位相検波す
ることを特徴とする請求項1に記載の摩擦力顕微鏡。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP02949093A JP3226649B2 (ja) | 1993-02-18 | 1993-02-18 | 摩擦力顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH06241762A true JPH06241762A (ja) | 1994-09-02 |
JP3226649B2 JP3226649B2 (ja) | 2001-11-05 |
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ID=12277523
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP02949093A Expired - Fee Related JP3226649B2 (ja) | 1993-02-18 | 1993-02-18 | 摩擦力顕微鏡 |
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Country | Link |
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JP (1) | JP3226649B2 (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100343652C (zh) * | 2003-06-30 | 2007-10-17 | 广东工业大学 | 超微质量及超微载荷变化量检测装置及其检测方法 |
JP2013525806A (ja) * | 2010-05-07 | 2013-06-20 | サントル・ナショナル・ドゥ・ラ・レシェルシュ・サイエンティフィーク・(セ・エン・エール・エス) | 連続曲線モードで機能する走査型プローブ顕微鏡法による表面測定及び改質のための方法、それを実施するための走査型プローブ顕微鏡及びデバイス |
US8601609B2 (en) | 2011-03-04 | 2013-12-03 | Sii Nanotechnology Inc. | Friction force microscope |
CN108828268A (zh) * | 2018-06-06 | 2018-11-16 | 北京航空航天大学 | 一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器 |
CN109884347A (zh) * | 2019-02-25 | 2019-06-14 | 燕山大学 | Afm轻敲模式下延缓探针针尖磨损的方法 |
-
1993
- 1993-02-18 JP JP02949093A patent/JP3226649B2/ja not_active Expired - Fee Related
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CN100343652C (zh) * | 2003-06-30 | 2007-10-17 | 广东工业大学 | 超微质量及超微载荷变化量检测装置及其检测方法 |
JP2013525806A (ja) * | 2010-05-07 | 2013-06-20 | サントル・ナショナル・ドゥ・ラ・レシェルシュ・サイエンティフィーク・(セ・エン・エール・エス) | 連続曲線モードで機能する走査型プローブ顕微鏡法による表面測定及び改質のための方法、それを実施するための走査型プローブ顕微鏡及びデバイス |
US8601609B2 (en) | 2011-03-04 | 2013-12-03 | Sii Nanotechnology Inc. | Friction force microscope |
CN108828268A (zh) * | 2018-06-06 | 2018-11-16 | 北京航空航天大学 | 一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器 |
CN108828268B (zh) * | 2018-06-06 | 2020-07-03 | 北京航空航天大学 | 一种适用于原子力显微镜的大范围柔性结构扫描器 |
CN109884347A (zh) * | 2019-02-25 | 2019-06-14 | 燕山大学 | Afm轻敲模式下延缓探针针尖磨损的方法 |
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---|---|
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