JPH10293135A - Detection circuit for atomic force microscope - Google Patents

Detection circuit for atomic force microscope

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JPH10293135A
JPH10293135A JP9102238A JP10223897A JPH10293135A JP H10293135 A JPH10293135 A JP H10293135A JP 9102238 A JP9102238 A JP 9102238A JP 10223897 A JP10223897 A JP 10223897A JP H10293135 A JPH10293135 A JP H10293135A
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JP
Japan
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detection circuit
signal
cantilever
probe
contact mode
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Pending
Application number
JP9102238A
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Japanese (ja)
Inventor
Shunji Watanabe
俊二 渡辺
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
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Publication of JPH10293135A publication Critical patent/JPH10293135A/en
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • G01Q10/04Fine scanning or positioning
    • G01Q10/06Circuits or algorithms therefor
    • G01Q10/065Feedback mechanisms, i.e. wherein the signal for driving the probe is modified by a signal coming from the probe itself
    • GPHYSICS
    • 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
    • GPHYSICS
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    • G01Q60/00Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
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    • G01Q60/32AC mode
    • G01Q60/34Tapping mode

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To form an AFM image in a short time by constituting a detection circuit of a rectifier circuit and an LPF circuit thereby increasing the scanning frequency of an atomic force microscope in noncontact mode or periodic contact mode. SOLUTION: At the time of observation in periodic contact mode, a cantilever is vibrated at the primary resonance frequency. A signal reflecting the dynamic interaction between a probe and a sample, i.e., an AC signal based on the amplitude of the cantilever, is inputted to a full-wave rectifier circuit from the probe. The AC signal is rectified and inputted to an LPF circuit and then converted into a DC signal proportional to the amplitude of the cantilever. A feedback circuit is operated to sustain the DC signal at a constant level and to sustain a constant vibratory state of the cantilever. More specifically, the distance between the probe and the sample is sustained constant. An AFM image is obtained by scanning the sample relatively in the X-Y direction while performing feedback control in Z direction.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、原子間力顕微鏡に
用いられる電気回路に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electric circuit used in an atomic force microscope.

【0002】[0002]

【従来の技術】走査型顕微鏡のひとつである原子間力顕
微鏡(atomic force microscope:AFM)は、物質間に
働く力により試料表面の2次的な観察像を形成するもの
である。AFMは電気導電性のない材料表面や有機分子
をナノメートルスケールで観察できることから、広範囲
な応用が期待されている(山田、応用物理、第59巻2号
P.191〜192))。
2. Description of the Related Art An atomic force microscope (AFM), which is one of scanning microscopes, forms a secondary observation image of a sample surface by a force acting between materials. AFM is expected to have a wide range of applications because it can observe material surfaces and organic molecules having no electrical conductivity on a nanometer scale (Yamada, Applied Physics, Vol. 59, No. 2, pp. 191-192).

【0003】図3は、従来用いられている、AFMの周
期的接触モードの概念図である。AFMは、先端曲率半
径の小さい針状探針1を先端に備えたカンチレバー2
と、カンチレバーの曲がりを測定する変位検出系(不図
示)と、検出された信号を処理する電気回路等から構成
される。この変位を検出するセンサー部はプローブ3と
呼ばれている。
FIG. 3 is a conceptual diagram of a conventionally used AFM periodic contact mode. The AFM comprises a cantilever 2 having a needle-like probe 1 having a small radius of curvature at the tip.
And a displacement detection system (not shown) for measuring the bending of the cantilever, an electric circuit for processing the detected signal, and the like. The sensor unit that detects this displacement is called a probe 3.

【0004】周期的接触モードを使ったAFMの観察方
法(又は測定方法)を以下に述べる。共振周波数付近で
カンチレバー2を振動させ、カンチレバー先端の針状探
針1を観察試料に10nm程度近づけると、針状探針1と観
察試料の間には静電気、磁気およびファンデルワールス
力等が働いてカンチレバーの共振周波数が変化し、それ
に伴い振幅が変化する。この振幅変化を変位検出系によ
り検出することによって原子間力が測定される。試料表
面をX−Y方向に走査することにより試料表面の力の2
次元的情報が得られる。また、カンチレバーの振幅を一
定にするように試料の高さ方向(Z方向)の位置をフィ
ードバック制御しながら試料上を走査することにより、
表面の微視的形状を知ることができる。
An AFM observation method (or measurement method) using the periodic contact mode will be described below. When the cantilever 2 is vibrated near the resonance frequency and the needle-like probe 1 at the tip of the cantilever is brought close to the observation sample by about 10 nm, static electricity, magnetism, van der Waals force, etc. act between the needle-like probe 1 and the observation sample. As a result, the resonance frequency of the cantilever changes, and the amplitude changes accordingly. The change in the amplitude is detected by a displacement detection system to measure the interatomic force. By scanning the sample surface in the XY directions, the force of the sample surface
Dimensional information is obtained. Further, by scanning the sample while performing feedback control on the position of the sample in the height direction (Z direction) so as to keep the amplitude of the cantilever constant,
The microscopic shape of the surface can be known.

【0005】原子間力による振幅変化を検出する方法と
して、光てこ方式、光干渉方式、圧電応答式が用いられ
ている。いずれの方法においても出力信号は交流信号な
ので、制御系に入力する際には直流信号に変換する必要
があり、その手段としてロックインアンプが通常用いら
れていた。
As a method for detecting an amplitude change due to an atomic force, an optical lever system, an optical interference system, and a piezoelectric response system are used. In either method, the output signal is an AC signal, so it needs to be converted to a DC signal when inputting to a control system, and a lock-in amplifier is usually used as a means for this.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ロック
インアンプでは、交流信号から直流信号への変換時間が
長く、最低でも積分時間が1msec必要である。これが非
接触モードまたは周期的接触モードの高速化を進める上
で最大の障害となっている。交流直流変換の必要がない
接触モードでは5Hzの走査周波数で観察できるのに対し
て、非接触モード又は周期的接触モードを使うと2Hz程
度の走査周波数でしか観察できず、2倍以上の時間がか
かっていた。
However, in the lock-in amplifier, the conversion time from the AC signal to the DC signal is long, and the integration time is at least 1 msec. This is the biggest obstacle to speeding up the non-contact mode or the periodic contact mode. In the contact mode where there is no need for AC / DC conversion, observation can be performed at a scanning frequency of 5 Hz, whereas when using the non-contact mode or the periodic contact mode, observation can be performed only at a scanning frequency of about 2 Hz, which is twice as long. It was hanging.

【0007】本発明の目的は、原子間力顕微鏡における
非接触モードまたは周期的接触モードにおいて、走査周
波数を高めることにより、AFM像を短時間で得られる
検出回路を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a detection circuit capable of obtaining an AFM image in a short time by increasing a scanning frequency in a non-contact mode or a periodic contact mode in an atomic force microscope.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明の請求項1に記載
の発明は、「非接触モードまたは周期的接触モードまた
は周期的接モードで試料を観察する原子間力顕微鏡に用
いられる検出回路において、前記検出回路は、プローブ
から検出された交流信号を直流信号に変換する手段とし
て、整流回路およびローパスフィルターを有する」原子
間力顕微鏡用検出回路である。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a detection circuit used in an atomic force microscope for observing a sample in a non-contact mode, a periodic contact mode, or a periodic contact mode. The detection circuit has a rectifier circuit and a low-pass filter as means for converting an AC signal detected from a probe into a DC signal. "

【0009】本発明の請求項2に記載の発明は、「非接
触モードまたは周期的接触モードまたは周期的接モード
で試料を観察する原子間力顕微鏡に用いられる検出回路
において、前記検出回路は、プローブから検出された交
流信号を直流信号に変換する手段として、同期検波回路
およびローパスフィルターを有する」原子間力顕微鏡用
検出回路である。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a detection circuit used in an atomic force microscope for observing a sample in a non-contact mode, a periodic contact mode, or a periodic contact mode, wherein the detection circuit comprises: A synchronous detection circuit and a low-pass filter are provided as means for converting an AC signal detected from the probe into a DC signal. "

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】図1は、本発明の実施の形態に係
る、AFMの検出回路として、全波整流回路およびロー
パスフィルター回路を有する検出回路を示す図である。
周期的接触モードによる観察では、カンチレバーをその
1次の共振周波数で振動させる。プローブと試料との力
学的相互作用を反映した信号、すなわちカンチレバーの
振幅に基づく交流信号は、プローブから全波整流回路へ
入力される。この交流信号は、整流された後にローパス
フィルター回路に入力され、カンチレバーの振幅に比例
した直流信号に変換される。
FIG. 1 is a diagram showing a detection circuit having a full-wave rectifier circuit and a low-pass filter circuit as an AFM detection circuit according to an embodiment of the present invention.
In the observation in the periodic contact mode, the cantilever is vibrated at its primary resonance frequency. A signal reflecting a mechanical interaction between the probe and the sample, that is, an AC signal based on the amplitude of the cantilever is input from the probe to the full-wave rectifier circuit. This AC signal is rectified and then input to a low-pass filter circuit, where it is converted into a DC signal proportional to the amplitude of the cantilever.

【0011】ローパスフィルター回路では、カンチレバ
ーの共振周波数での振動を除去する。カンチレバーの共
振周波数は、本実施形態では35kHz程度であり、ローパ
スフィルターのカットオフ周波数が20kHz以上であれば
十分に除去できる。この直流信号が一定になるように、
すなわちカンチレバーの振動状態が一定になるように、
フィードバック回路を作動させる。これは、針状探針と
観察試料との距離を一定にすることである。このよう
に、Z方向についてフィードバック制御しながら針状探
針を試料に対して相対的にX−Y方向に走査させると、
図4に示すAFM像が得られた。
In the low-pass filter circuit, the vibration at the resonance frequency of the cantilever is removed. The resonance frequency of the cantilever is about 35 kHz in the present embodiment, and can be sufficiently eliminated if the cutoff frequency of the low-pass filter is 20 kHz or more. In order for this DC signal to be constant,
That is, so that the vibration state of the cantilever is constant,
Activate the feedback circuit. This is to keep the distance between the needle probe and the observation sample constant. As described above, when the needle probe is caused to scan in the XY direction relative to the sample while performing feedback control in the Z direction,
The AFM image shown in FIG. 4 was obtained.

【0012】図4は、周期的接触モードにより、金の蒸
着膜を観察したときのAFM像である。走査周波数は13
Hzであり、256×256画素のAFM像を20秒間で得
るこができた。これは、交流直流変換にロックインアン
プを使用した従来の検出回路に比べて、5倍以上も観察
時間を短縮したことになる。図2は、本発明の実施の形
態に係る、AFMの検出回路として、同期検波回路およ
びローパスフィルターを有する原子間力顕微鏡用検出回
路図である。
FIG. 4 is an AFM image when a gold deposition film is observed in the periodic contact mode. Scan frequency is 13
Hz, and an AFM image of 256 × 256 pixels could be obtained in 20 seconds. This means that the observation time is reduced by a factor of 5 or more compared to a conventional detection circuit using a lock-in amplifier for AC / DC conversion. FIG. 2 is a detection circuit diagram for an atomic force microscope having a synchronous detection circuit and a low-pass filter as an AFM detection circuit according to the embodiment of the present invention.

【0013】この回路を用いても、上記と同様に、金の
蒸着膜のAFM像を20秒間で得ることができた。
Using this circuit, an AFM image of the deposited gold film could be obtained in 20 seconds in the same manner as described above.

【0014】[0014]

【発明の効果】以上の通り、本発明のAFM用検出回路
によれば、走査周波数を13Hzに高めたために、256×
256画素のAFM像が20秒間という短時間で得られ
る。これは、ロックインアンプを使用した従来の検出回
路に比べて、5倍以上も観察時間を短縮したことにな
る。
As described above, according to the AFM detection circuit of the present invention, since the scanning frequency is increased to 13 Hz, 256 ×
An AFM image of 256 pixels can be obtained in a short time of 20 seconds. This means that the observation time has been reduced by a factor of 5 or more compared to a conventional detection circuit using a lock-in amplifier.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態に係る、全波整流回路およ
びローパスフィルター回路を有する検出回路を示す図で
ある。
FIG. 1 is a diagram showing a detection circuit having a full-wave rectifier circuit and a low-pass filter circuit according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施の形態に係る、同期検波回路およ
びローパスフィルター回路を有する検出回路を示す図で
ある。
FIG. 2 is a diagram showing a detection circuit having a synchronous detection circuit and a low-pass filter circuit according to the embodiment of the present invention.

【図3】従来の、AFMの周期的接触モードを説明する
ための概念図である。
FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining a conventional periodic contact mode of an AFM.

【図4】本発明の実施の形態に係る、周期的接触モード
により得られた金の蒸着膜のAFM像である。
FIG. 4 is an AFM image of a deposited gold film obtained in a periodic contact mode according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・・針状探針 2・・・・カンチレバー 3・・・・プローブ 1 ··· Needle probe 2 · · · cantilever 3 · · · probe

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 非接触モードまたは周期的接触モードで
試料を観察する原子間力顕微鏡に用いられる検出回路に
おいて、 前記検出回路は、プローブから検出された交流信号を直
流信号に変換する手段として、整流回路およびローパス
フィルターを有することを特徴とする、原子間力顕微鏡
用検出回路。
1. A detection circuit used in an atomic force microscope for observing a sample in a non-contact mode or a periodic contact mode, wherein the detection circuit is configured to convert an AC signal detected from a probe into a DC signal. A detection circuit for an atomic force microscope, comprising a rectifier circuit and a low-pass filter.
【請求項2】 非接触モードまたは周期的接触モードで
試料を観察する原子間力顕微鏡に用いられる検出回路に
おいて、 前記検出回路は、プローブから検出された交流信号を直
流信号に変換する手段として、同期検波回路およびロー
パスフィルターを有することを特徴とする、原子間力微
鏡用検出回路。
2. A detection circuit used in an atomic force microscope for observing a sample in a non-contact mode or a periodic contact mode, wherein the detection circuit is configured to convert an AC signal detected from a probe into a DC signal. A detection circuit for an atomic force microscope, comprising a synchronous detection circuit and a low-pass filter.
【請求項3】 前記ローパスフィルターは、そのカット
オフ周波数が20kHz以上であることを特徴とする、請求
項1または2に記載の検出回路。
3. The detection circuit according to claim 1, wherein the low-pass filter has a cutoff frequency of 20 kHz or more.
JP9102238A 1997-04-18 1997-04-18 Detection circuit for atomic force microscope Pending JPH10293135A (en)

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JP9102238A JPH10293135A (en) 1997-04-18 1997-04-18 Detection circuit for atomic force microscope

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JPH10293135A true JPH10293135A (en) 1998-11-04

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JP (1) JPH10293135A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7853422B2 (en) 2004-11-05 2010-12-14 Japan Science And Technology Agency Dynamic-mode atomic-force-microscope probe (Tip) vibration simulation method, program, recording medium, and vibration simulator

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7853422B2 (en) 2004-11-05 2010-12-14 Japan Science And Technology Agency Dynamic-mode atomic-force-microscope probe (Tip) vibration simulation method, program, recording medium, and vibration simulator

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