KR102620806B1 - Fully digitally operating shear-force atomic force microscopy and operation method - Google Patents

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Abstract

디지털화된 전단력 원자력현미경 및 동작 방법이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른, 디지털화된 전단력 원자력현미경은, 디지털 사인파를 출력하여 튜닝포크로 여기시키고, 상기 튜닝포크로부터의 전기 신호를 측정하는 DAQ(Data AcQuisition); 및 상기 측정된 전기 신호에 대해, 디지털 락인 앰프리파이어(digital lock-in amplifier) 작용을 통해 기준주파수와 다른 노이즈를 제거하는 컴퓨터를 포함 할 수 있다.A digitized shear force atomic force microscope and method of operation are disclosed. According to an embodiment of the present invention, a digitized shear force atomic force microscope includes DAQ (Data AcQuisition) that outputs a digital sine wave, excites it with a tuning fork, and measures the electrical signal from the tuning fork; And it may include a computer that removes noise different from the reference frequency from the measured electrical signal through a digital lock-in amplifier.

Description

디지털화된 전단력 원자력현미경 및 동작 방법{FULLY DIGITALLY OPERATING SHEAR-FORCE ATOMIC FORCE MICROSCOPY AND OPERATION METHOD}FULLY DIGITALLY OPERATING SHEAR-FORCE ATOMIC FORCE MICROSCOPY AND OPERATION METHOD}

본 발명이 속하는 기술분야는 기계, 전기/전자 분야일 수 있다.The technical field to which the present invention belongs may be mechanical and electrical/electronic fields.

본 발명은, DAQ(Data acquisition)를 활용하여, 전단력 원자력현미경(Atomic Force Microscopy)에서, 함수발생기(Function Generator)와 락인 앰프리파이어(Lock-in Amp.)를 생략 가능하도록 하는, 디지털화된 전단력 원자력현미경 및 동작 방법에 관한 것이다.The present invention utilizes DAQ (Data Acquisition) to digitize shear force, allowing the function generator and lock-in amplifier to be omitted in shear force atomic force microscopy. It relates to atomic force microscopes and operating methods.

여기서, 전단력은 평행하게 작용하는데 그 힘의 방향이 반대 방향으로 작용하는 힘을 지칭 할 수 있다.Here, the shear force acts in parallel, but the direction of the force may refer to a force that acts in the opposite direction.

또한, DAQ(Data AcQuisition)는 컴퓨터가 조작할 수 있는 데이터를 생성하기 위한 실세계 샘플링하는 수단일 수 있다.Additionally, DAQ (Data AcQuisition) can be a means of real-world sampling to generate data that can be manipulated by a computer.

종래의 전단력 원자력현미경(AFM)의 작동 방식은 아날로그 함수발생기가 사인 형태의 전기파동을 만들어내고, 이 전기파동에 의해 공명진동 된 튜닝포크가 탐침과 샘플 간의 거리에 따라 다른 전기 신호를 내보내게 됨에 따라 작동하게 된다.The operating method of a conventional shear force atomic force microscope (AFM) is that an analog function generator generates a sine-shaped electric wave, and a tuning fork that resonates with this electric wave sends out different electric signals depending on the distance between the probe and the sample. It works accordingly.

튜닝포크에서 내보내는 전기 신호는 아주 작고 노이즈도 많기 때문에 프리앰프로 증폭될 수 있다.The electrical signal emitted from the tuning fork is very small and contains a lot of noise, so it can be amplified by a preamplifier.

락인 앰프리파이어(lock-in amplifier)는 아날로그 함수발생기가 만들어낸 전기파동의 주파수를 기준 주파수로 삼아, 튜닝포크에서 나오는 전기 신호에서 노이즈를 제거한다. 노이즈가 제거된 전기 신호를 바탕으로 탐침과 샘플 간의 거리는, PZT를 통해 수 나노미터로 조절하게 된다.The lock-in amplifier uses the frequency of the electric wave generated by the analog function generator as the reference frequency and removes noise from the electric signal coming from the tuning fork. Based on the electrical signal from which noise has been removed, the distance between the probe and the sample is adjusted to several nanometers through PZT.

종래의 전단력 원자력현미경에서는, 아날로그 함수발생기(Function generator)와 아날로그 락인 앰프리파이어, 그리고 아날로그 PID(Process IDentifier)가 필수적으로 있어야 한다.In a conventional shear force atomic force microscope, an analog function generator, an analog lock-in amplifier, and an analog PID (Process IDentifier) are essential.

종래의 전단력 원자력현미경에서 구비되어야 하는 이들 제품들의 가격은, 원자력현미경의 상당한 부분을 차지하기 때문에 경제적 측면에서 문제가 있다.The cost of these products, which must be provided in a conventional shear force atomic force microscope, is problematic from an economic perspective because they occupy a significant portion of the atomic force microscope.

따라서, 디지털 방식으로 동작하는 전단력 원자력현미경의 출현이 절실히 요구되고 있다.Therefore, the emergence of a digitally operated shear force atomic force microscope is urgently needed.

본 발명의 실시예는, 함수발생기와 락인 앰프리파이어를 컴퓨터로 대체하여, 기존의 아날로그 방식으로 신호를 처리하는 방법을 디지털화 하면서도, 전단력 원자력현미경(AFM)에 쓰일 수 있을 정도의 정밀도를 갖게 하는, 디지털화된 전단력 원자력현미경 및 동작 방법을 제공하는 것을 해결 과제로 한다.An embodiment of the present invention replaces the function generator and lock-in amplifier with a computer, digitizing the existing analog method of processing signals, while maintaining a level of precision that can be used in a shear force atomic force microscope (AFM). , the problem is to provide a digitized shear force atomic force microscope and operation method.

또한, 본 발명의 실시예는, 전단력 원자력현미경(AFM)에서, 아날로그 함수발생기와 아날로그 락인 앰프리파이어, 및 아날로그 PID를 컴퓨터로 대체하고 디지털방식으로 처리 가능하게 하는 것으로 다른 목적으로 한다.In addition, an embodiment of the present invention has another purpose in shear force atomic force microscopy (AFM), by replacing the analog function generator, analog lock-in amplifier, and analog PID with a computer and enabling digital processing.

본 발명의 일실시예에 따른, 디지털화된 전단력 원자력현미경은, 디지털 사인파를 출력하여 튜닝포크로 여기시키고, 상기 튜닝포크로부터의 전기 신호를 측정하는 DAQ(Dta AcQuisition); 및 상기 측정된 전기 신호에 대해, 디지털 락인 앰프리파이어(digital lock-in amplifier) 작용을 통해 기준주파수와 다른 노이즈를 제거하는 컴퓨터를 포함 할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a digitized shear force atomic force microscope includes DAQ (Dta AcQuisition) that outputs a digital sine wave, excites it with a tuning fork, and measures the electrical signal from the tuning fork; And it may include a computer that removes noise different from the reference frequency from the measured electrical signal through a digital lock-in amplifier.

또한, 본 발명의 실시예에 따른, 디지털화된 전단력 원자력현미경의 동작 방법은, DAQ에서, 디지털 사인파를 출력하여 튜닝포크로 여기시키는 단계; 상기 DAQ에서, 상기 튜닝포크로부터의 전기 신호를 측정하는 단계; 및 컴퓨터에서, 상기 측정된 전기 신호에 대해, 디지털 락인 앰프리파이어 작용을 통해 기준주파수와 다른 노이즈를 제거하는 단계를 포함하여 구성할 수 있다.In addition, a method of operating a digitized shear force atomic force microscope according to an embodiment of the present invention includes the steps of outputting a digital sine wave from the DAQ and exciting it with a tuning fork; In the DAQ, measuring an electrical signal from the tuning fork; and, in a computer, removing noise different from the reference frequency from the measured electrical signal through a digital lock-in amplifier operation.

본 발명의 일실시예에 따르면, 함수발생기와 락인 앰프리파이어를 컴퓨터로 대체하여, 기존의 아날로그 방식으로 신호를 처리하는 방법을 디지털화 하면서도, 전단력 원자력현미경(AFM)에 쓰일 수 있을 정도의 정밀도를 갖게 하는, 디지털화된 전단력 원자력현미경 및 동작 방법을 제공하는, 디지털화된 전단력 원자력현미경 및 동작 방법을 제공 할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the function generator and lock-in amplifier are replaced with a computer, digitizing the existing analog signal processing method, while maintaining a level of precision that can be used in a shear force atomic force microscope (AFM). It is possible to provide a digitized shear force atomic force microscope and a method of operation, which provides a digitized shear force atomic force microscope and a method of operation.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 전단력 원자력현미경(AFM)에서, 아날로그 함수발생기와 아날로그 락인 앰프리파이어, 및 아날로그 PID를 컴퓨터로 대체하고 디지털방식으로 처리 가능하게 할 수 있다.Additionally, according to an embodiment of the present invention, in a shear force atomic force microscope (AFM), the analog function generator, analog lock-in amplifier, and analog PID can be replaced with a computer and processed digitally.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 충분한 안정성 있는 전단력 원자 현미경을 통해 아날로그에서도 할 수 있는Tip-enhanced Raman Spectroscopy (TERS)측정을 할 수 있다. 이 TERS 측정은 근접장 측정으로써 물질의 광학적 특성을 알 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, Tip-enhanced Raman Spectroscopy (TERS) measurement, which can also be performed in analog, can be performed through a sufficiently stable shear force atomic force microscope. This TERS measurement is a near-field measurement that can determine the optical properties of a material.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 디지털화된 전단력 원자력현미경의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 디지털화된 전단력 원자력현미경을 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 Gap dependence and time series로서, 도3(a)는 피드백 안정성을 보여주는 gap dependence이고, 도3(b)는 TERS를 유지할 수 있는 안정성을 보여주는 time series 이다.
도 4는 TERS의 일례를 보여주는 도이다.
도 5는 디지털 락인의 작동방식을 설명하기 위한 도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른, 디지털화된 전단력 원자력현미경의 동작 방법을 도시한 흐름도이다.
Figure 1 is a block diagram showing the configuration of a digitized shear force atomic force microscope according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a configuration diagram for explaining the digitized shear force atomic force microscope of the present invention.
Figure 3 is a gap dependence and time series, Figure 3(a) is a gap dependence showing feedback stability, and Figure 3(b) is a time series showing the stability that can maintain TERS.
Figure 4 is a diagram showing an example of TERS.
Figure 5 is a diagram to explain how digital lock-in works.
Figure 6 is a flowchart showing a method of operating a digitized shear force atomic force microscope according to an embodiment of the present invention.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the attached drawings. However, various changes can be made to the embodiments, so the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all changes, equivalents, or substitutes for the embodiments are included in the scope of rights.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are for descriptive purposes only and should not be construed as limiting. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the embodiments belong. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, when describing with reference to the accompanying drawings, identical components will be assigned the same reference numerals regardless of the reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted. In describing the embodiments, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may unnecessarily obscure the gist of the embodiments, the detailed descriptions are omitted.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 디지털화된 전단력 원자력현미경의 구성을 도시한 블록도이다.Figure 1 is a block diagram showing the configuration of a digitized shear force atomic force microscope according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른, 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은, DAQ(Data AcQuisition, 110) 및 컴퓨터(120)를 포함하여 구성할 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은 프리앰프(130) 및 튜닝포크(140)를 선택적으로 추가하여 구성할 수 있다.Referring to FIG. 1, a digitized shear force atomic force microscope 100 according to an embodiment of the present invention may be configured to include a data acquisition (DAQ) 110 and a computer 120. Additionally, depending on the embodiment, the digitized shear force atomic force microscope 100 may be configured by selectively adding a preamplifier 130 and a tuning fork 140.

DAQ(110)는 디지털 사인파를 출력하여 튜닝포크(140)로 여기시킨다. 즉, DAQ(110)는 사인형태의 디지털 파를 튜닝포크(140)로 발진시켜, 튜닝포크(140)에 장착된 탐침으로 하여금, 대상물인 샘플에 대해 탐지하도록 하는 역할을 할 수 있다.The DAQ (110) outputs a digital sine wave and excites it with the tuning fork (140). In other words, the DAQ 110 oscillates a sine-shaped digital wave to the tuning fork 140, allowing the probe mounted on the tuning fork 140 to detect a sample, which is an object.

튜닝포크(140)는 일정한 진동수의 파형을 출력시키는 기구로서, 여기 되어 입력되는 디지털 사인파에 의해 공명됨에 따라, 샘플 간의 거리에 따른 전단력 힘이 작용하여, 샘플과 팁사이의 거리에 따른 다른 진폭의 사인파를 출력시켜 샘플의 높이 정보를 알 수 있고, 이를 통해 샘플을 탐지할 수 있게 한다. 튜닝포크(140)는 팁 및 PZT를 포함하여 구성할 수 있다.The tuning fork 140 is a device that outputs a waveform of a certain frequency. As it is excited and resonates with the input digital sine wave, a shear force according to the distance between the samples is applied, and the tuning fork 140 has a different amplitude depending on the distance between the sample and the tip. By outputting a sine wave, the height information of the sample can be known, and through this, the sample can be detected. The tuning fork 140 can be configured to include a tip and PZT.

디지털 사인파의 출력에 있어, DAQ(110)는, 상기 컴퓨터에서 프로그램으로 만들어진 가상 파형을, 상기 튜닝포크(140)가 공명진동 상태가 되도록 하는 주파수의 전기파동으로 전환하여, 상기 디지털 사인파로서 출력 할 수 있다. 즉, DAQ(110)는 프로그램화하여 제작되는 가상의 사인파를 규정된 주파수로 구동시켜 출력시킬 수 있다. 이때 가상 파형이 구동되는 주파수는, 튜닝포크(140)가 공명진동 상태가 되도록 하는 주파수, 즉 튜닝포크(140) 자체의 고유 주파수와 동일한 주파수일 수 있다.In the output of the digital sine wave, the DAQ (110) converts the virtual waveform created by the program in the computer into an electric wave of a frequency that causes the tuning fork 140 to be in a resonance vibration state and outputs it as the digital sine wave. You can. In other words, the DAQ 110 can drive and output a virtual sine wave produced by programming at a specified frequency. At this time, the frequency at which the virtual waveform is driven may be a frequency that causes the tuning fork 140 to enter a resonance vibration state, that is, the same frequency as the natural frequency of the tuning fork 140 itself.

또한, DAQ(110)는, 상기 튜닝포크(140)로부터의 전기 신호를 측정한다. 즉, DAQ(110)는 디지털 사인파에 의해 공명진동 상태가 된 튜닝포크(140)에서 샘플이 탐지되어 전기 신호가 바뀌면, 이를 입력받아 측정하는 역할을 할 수 있다.Additionally, the DAQ 110 measures the electrical signal from the tuning fork 140. In other words, the DAQ 110 can serve to receive input and measure when a sample is detected at the tuning fork 140 in a resonant vibration state by a digital sine wave and the electrical signal changes.

컴퓨터(120)는, 상기 측정된 전기 신호에 대해, 디지털 락인 앰프리파이어(digital lock-in amplifier) 작용을 통해 기준주파수와 다른 노이즈를 제거한다. 즉, 컴퓨터(120)는 DAQ(110)를 통해 수집된 전기 신호에서 정해진 기준에 벗어나는 주파수 영역을 제거 함으로써 노이즈를 필터링하는 역할을 할 수 있다.The computer 120 removes noise different from the reference frequency from the measured electrical signal through a digital lock-in amplifier. In other words, the computer 120 may serve to filter noise by removing frequency regions that deviate from a set standard from the electrical signal collected through the DAQ 110.

여기서, 기준주파수는, DAQ(110)에서 출력되어 튜닝포크(140)로 여기시킨 디지털 사인파의 주파수로 정해질 수 있다.Here, the reference frequency may be determined by the frequency of the digital sine wave output from the DAQ (110) and excited by the tuning fork (140).

실시예에 따라, 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은 튜닝포크(140)에서 수집된 전기 신호를 증폭하여 보다 정확한 샘플의 높이정보를 획득할 수 있다.Depending on the embodiment, the digitized shear force atomic force microscope 100 may obtain more accurate height information of the sample by amplifying the electrical signal collected from the tuning fork 140.

이를 위해, 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은 프리앰프(130)를 포함하여 구성될 수 있다.To this end, the digitized shear force atomic force microscope 100 may be configured to include a preamplifier 130.

즉, 프리앰프(130)는 상기 튜닝포크(140)로부터 입력되는 상기 전기 신호를 증폭시켜 상기 DAQ에서, 측정 가능하게 할 수 있다. 이를 통해, 프리앰프(130)는 낮은 크기의 전기 신호를 증폭시켜, 노이즈 제거 동작이 보다 용이해 지도록 할 수 있다.That is, the preamplifier 130 can amplify the electrical signal input from the tuning fork 140 and enable measurement by the DAQ. Through this, the preamplifier 130 can amplify low-level electrical signals to make noise removal easier.

또한, 컴퓨터(120)는, 상기 디지털 락인 앰프리파이어 작용으로서, 상기 DAQ가 인식하는 샘플레이트에 맞춰 작성된 사인형태와 코사인형태의 가상 파동과, 상기 증폭된 전기 신호를 곱셈 할 수 있다.In addition, as the digital lock-in amplifier function, the computer 120 can multiply the amplified electrical signal and a sine-shaped and cosine-shaped virtual wave created according to the sample rate recognized by the DAQ.

컴퓨터(120)는 DAQ(110)에서 받아드린 튜닝포크(140)의 높이정보를 컴퓨터 코드 내부에서 받아들여진 시그널과 같은 샘플레이트로 배열 형식의 사인파와 코사인파를 만들어 곱하는 방법으로 컴퓨터 코드 내부에서 복조시켜, 상기 디지털 락인 앰프리파이어 작용을 수행 할 수 있다.The computer 120 demodulates the height information of the tuning fork 140 received from the DAQ 110 into a sine wave and a cosine wave in an array format at the same sample rate as the signal received inside the computer code and multiplies them. By doing so, the digital lock-in amplifier function can be performed.

또한, 컴퓨터(120)는, 상기 노이즈가 제거된 전기 신호에 근거하여, 디지털 PID제어를 통해 샘플과 상기 튜닝포크(140)의 탐침 사이의 간격을 조절 할 수 있다. 즉, 컴퓨터(120)는 디지털 락인 앰프리파이어 작용을 통해 기준주파수와 다른 노이즈를 제거하고, 노이즈 제거된 전기 신호를 바탕으로 디지털 PID제어를 통해 샘플과 탐침 사이의 간격을 수 나노미터로 조절하는 피드백을 할 수 있다.Additionally, the computer 120 can adjust the gap between the sample and the probe of the tuning fork 140 through digital PID control, based on the electrical signal from which the noise has been removed. That is, the computer 120 removes noise different from the reference frequency through a digital lock-in amplifier operation, and adjusts the gap between the sample and the probe to several nanometers through digital PID control based on the noise-removed electrical signal. You can give feedback.

이때, 상기 튜닝포크(140)의 탐침은, 실리콘, 금, 및 텅스텐 중 적어도 하나를 포함하여, 탐지 정밀도를 향상시킬 수 있게 한다.At this time, the probe of the tuning fork 140 includes at least one of silicon, gold, and tungsten, thereby improving detection precision.

본 발명의 일실시예에 따르면, 함수발생기와 락인 앰프리파이어를 컴퓨터로 대체하여, 기존의 아날로그 방식으로 신호를 처리하는 방법을 디지털화 하면서도, 전단력 원자력현미경(AFM)에 쓰일 수 있을 정도의 정밀도를 갖게 하는, 디지털화된 전단력 원자력현미경 및 동작 방법을 제공하는, 디지털화된 전단력 원자력현미경 및 동작 방법을 제공 할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the function generator and lock-in amplifier are replaced with a computer, digitizing the existing analog signal processing method, while maintaining a level of precision that can be used in a shear force atomic force microscope (AFM). It is possible to provide a digitized shear force atomic force microscope and a method of operation, which provides a digitized shear force atomic force microscope and a method of operation.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 전단력 원자력현미경(AFM)에서, 아날로그 함수발생기와 아날로그 락인 앰프리파이어, 및 아날로그 PID를 컴퓨터로 대체하고 디지털방식으로 처리 가능하게 할 수 있다.Additionally, according to an embodiment of the present invention, in a shear force atomic force microscope (AFM), the analog function generator, analog lock-in amplifier, and analog PID can be replaced with a computer and processed digitally.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 충분한 안정성 있는 전단력 원자 현미경을 통해 아날로그에서도 할 수 있는Tip-enhanced Raman Spectroscopy (TERS)측정을 할 수 있다. 이 TERS 측정은 근접장 측정으로써 물질의 광학적 특성을 알 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, Tip-enhanced Raman Spectroscopy (TERS) measurement, which can also be performed in analog, can be performed through a sufficiently stable shear force atomic force microscope. This TERS measurement is a near-field measurement that can determine the optical properties of a material.

도 2는 본 발명의 디지털화된 전단력 원자력현미경을 설명하기 위한 구성도이다.Figure 2 is a configuration diagram for explaining the digitized shear force atomic force microscope of the present invention.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은, Tuning fork(tip assembly), PZT scanner, DAQ(Digital control module & AFM scanning program)을 포함하여 구성할 수 있다.As shown in FIG. 2, the digitized shear force atomic force microscope 100 of the present invention can be configured to include a tuning fork (tip assembly), a PZT scanner, and a digital control module & AFM scanning program (DAQ).

디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은, 뾰족한 탐침의 Tuning fork와 샘플 사이의 간격을 약 0.2 nm 정밀도로 조절하는 피드백 장치를 포함할 수 있다.The digitized shear force atomic force microscope 100 may include a feedback device that adjusts the gap between the tuning fork of the pointed probe and the sample with a precision of about 0.2 nm.

디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은, 기존의 아날로그 방식과 다르게, 컴퓨터 프로그램으로 만들어진 가상 파형을 DAQ를 통해 함수발생기처럼 사인형태의 전기파동을 만들어 탐침이 달려있는 Tuning fork로 여기(Excitation)시켜, Tuning fork를 공명진동 상태로 만들 수 있다.The digitized shear force atomic force microscope (100), unlike the existing analog method, generates a sine-shaped electric wave like a function generator through DAQ using a virtual waveform created by a computer program and excites it with a tuning fork equipped with a probe. Tuning fork can be put into resonance vibration state.

디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은, Tuning fork의 신호를 프리앰프를 통해 증폭시킨 후 DAQ를 통해 직접 측정할 수 있다(Signal detection).The digitized shear force atomic force microscope (100) can amplify the signal from the tuning fork through a preamplifier and then directly measure it through DAQ (signal detection).

디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은, 측정된 Tuning fork의 신호에 대해, 컴퓨터에서 디지털 lock-in amplifier 작용을 통해 기준주파수와 다른 노이즈를 제거 할 수 있다.The digitized shear force atomic force microscope (100) can remove noise different from the reference frequency from the measured signal of the tuning fork through a digital lock-in amplifier action in the computer.

PZT scanner는 노이즈 제거된 정보를 바탕으로 디지털 PID제어를 통해 샘플과 탐침 사이의 간격을 수 나노미터로 조절하는 피드백을 수행 할 수 있다(Tip-sample distance control).The PZT scanner can perform feedback to adjust the gap between the sample and the probe to several nanometers through digital PID control based on noise-removed information (Tip-sample distance control).

디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은, 기존의 함수발생기와 lock-in amplifier 그리고 PID를, 컴퓨터와 DAQ로 대체 하면서도, 전단력 원자력현미경(AFM)에 충분히 사용할 수 있을 정도의 정밀도를 얻을 수 있다.The digitized shear force atomic force microscope (100) replaces the existing function generator, lock-in amplifier, and PID with a computer and DAQ, while achieving sufficient precision to be used in shear force atomic force microscopy (AFM).

디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은, 튜닝포크를 공명진동 시키기 위해 컴퓨터에서 사인형태의 가상 파형을 만들어낸다.The digitized shear force atomic force microscope (100) generates a sinusoidal virtual waveform on a computer in order to resonate and vibrate the tuning fork.

디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은, DAQ를 이용해 가상 파형을 전기적 신호로 변경하여 튜닝포크에 전달 함으로써, 튜닝포크가 이 전기적 신호의 주파수와 같은 진동수로 공명진동 상태가 되도록 할 수 있다.The digitized shear force atomic force microscope 100 can change the virtual waveform into an electrical signal using DAQ and transmit it to the tuning fork, so that the tuning fork is in a resonant vibration state at the same frequency as the frequency of the electrical signal.

디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은, 공명진동된 튜닝포크의 전압정보를 프리앰프를 통해 증폭 할 수 있다.The digitized shear force atomic force microscope 100 can amplify the voltage information of the resonance vibrating tuning fork through a preamplifier.

디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은, 증폭된 전압정보를 DAQ를 통해 컴퓨터로 입력받는다.The digitized shear force atomic force microscope 100 receives amplified voltage information from a computer through DAQ.

컴퓨터는 DAQ가 인식하는 샘플레이트에 맞춰 사인형태와 코사인형태의 가상 파동을 만들어내고, 들어온 신호(증폭된 전압정보)와 곱해져 디지털 lock-in amplifier 작용을 하게 된다.The computer creates virtual waves in the form of sine and cosine according to the sample rate recognized by the DAQ, and is multiplied by the incoming signal (amplified voltage information) to act as a digital lock-in amplifier.

디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은, 디지털 함수발생기와 디지털 lock-in amplifier를 통해 약 400kHz까지 튜닝포크를 공명진동시키고, 튜닝포크 신호를 인식할 수 있다.The digitized shear force atomic force microscope 100 can resonate and vibrate a tuning fork up to about 400 kHz through a digital function generator and a digital lock-in amplifier and recognize the tuning fork signal.

이를 통해 본 발명에 따른 디지털로 작동되는 전단력 원자력현미경을 구현 할 수 있다.Through this, it is possible to implement a digitally operated shear force atomic force microscope according to the present invention.

이하에서는, 본 발명에 따른 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)의 동작을 설명한다.Below, the operation of the digitized shear force atomic force microscope 100 according to the present invention will be described.

디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은, 탐침이 달려있는 튜닝포크의 공명주파수인 약 30khz로 디지털 사인파를 출력하여, 튜닝포크를 공명진동 시킨다.The digitized shear force atomic force microscope 100 outputs a digital sine wave at about 30khz, which is the resonance frequency of the tuning fork with the probe attached, and causes the tuning fork to resonate and vibrate.

디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은, DAQ를 통해 튜닝포크로부터 수집된 전기 신호(전압정보)를 프리앰프에 의해 증폭시키고, 증폭된 전기 신호를 컴퓨터로 읽는다.The digitized shear force atomic force microscope 100 amplifies the electrical signal (voltage information) collected from the tuning fork through DAQ by a preamplifier, and reads the amplified electrical signal with a computer.

디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은, 컴퓨터에 인식된 전기 신호를 디지털 lock-in amplifier 작용을 통해 필터링을 하고 탐침과 샘플 사이의 정보를 얻는다.The digitized shear force atomic force microscope 100 filters the electrical signal recognized by the computer through the action of a digital lock-in amplifier and obtains information between the probe and the sample.

디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은, 얻은 탐침과 샘플 사이의 정보를 바탕으로, 샘플의 위치를 조정하는 PZT를 조정하여 탐침과 샘플사이의 거리를 조절한다.The digitized shear force atomic force microscope 100 adjusts the distance between the probe and the sample by adjusting the PZT, which adjusts the position of the sample, based on the information obtained between the probe and the sample.

탐침과 샘플 사이의 간격은 나노미터 단위로 조절할 수 있고, 간격의 오차는 예컨대 약 1.6 nm정도일 수 있다.The gap between the probe and the sample can be adjusted in nanometers, and the gap error can be, for example, about 1.6 nm.

2D 반도체나 0D 양자점과 같은 저차원 양자 물질 연구에서는 원자력현미경이 필수적이다.Atomic force microscopy is essential in research on low-dimensional quantum materials such as 2D semiconductors and 0D quantum dots.

하지만, 이러한 원자력현미경은 다수의, 가격이 나가는 장비를 구성으로 포함하고 있어 경제적 부담이 있다.However, these atomic force microscopes include a large number of expensive equipment, which poses an economic burden.

본 발명에 따른 디지털 방식의 전단력 원자력현미경의 경우에는, 함수발생기와 lock-in amplifier를, 전부 컴퓨터와 DAQ로 대신하기 때문에, 경제적/공간적 이득이 클 수 있다.In the case of the digital shear force atomic force microscope according to the present invention, the function generator and lock-in amplifier are all replaced by a computer and DAQ, so economic and spatial benefits can be large.

또한, 본 발명의 경제적인 전단력 원자력현미경은 다른 연구에도 쉽게 활용할 수 있어, 양자물질 연구에 큰 도움이 될 것으로 예상된다.In addition, the economical shear force atomic force microscope of the present invention can be easily used in other research, and is expected to be of great help in quantum materials research.

본 발명의 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은, 기본적으로 하이퍼스펙트랄 이미지(hyperspectral imaging)를 얻기 위해 디자인되어 있다.The digitized shear force atomic force microscope 100 of the present invention is basically designed to obtain hyperspectral images.

도 3은 Gap dependence and time series로서, 도3(a)는 피드백 안정성을 보여주는 gap dependence이고, 도3(b)는 TERS를 유지할 수 있는 안정성을 보여주는 time series 이다.Figure 3 is a gap dependence and time series, Figure 3(a) is a gap dependence showing feedback stability, and Figure 3(b) is a time series showing the stability that can maintain TERS.

도 3(a)는 gap dependence의 그래프로서, 샘플과 팁 사이의 거리가 10nm를 초과할 때 TERS Raman shift 그래프와, 샘플과 팁 사이의 거리가 4nm~2nm 일 때 TERS Raman shift 그래프이다.Figure 3(a) is a graph of gap dependence, which is a TERS Raman shift graph when the distance between the sample and the tip exceeds 10 nm, and a TERS Raman shift graph when the distance between the sample and the tip is 4 nm to 2 nm.

도 3(a)에 도시한 바와 같이, 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)에 의해서는, 팁 사이의 거리가 2nm에 가까울수록, intensity의 픽크치가 크게 증폭하고 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 3(a), it can be seen from the digitized shear force atomic force microscope 100 that the closer the distance between tips is to 2 nm, the greater the intensity peak value is amplified.

도 3(b)는 타임시리즈로, 30초 동안 TERS가 지속되는 현상을 보여주고 있다.Figure 3(b) is a time series, showing the phenomenon of TERS lasting for 30 seconds.

도 3(b)에 도시한 바와 같이, 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)에 의해서는, Raman shift 전 영역에서, TERS가 일정하게 유지되고 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 3(b), it can be seen from the digitized shear force atomic force microscope 100 that TERS is maintained constant in the entire Raman shift region.

도 3을 살펴보면, TERS의 경우, 샘플과 팁 사이의 간격에 민감한데, 측정되는 갭과의 거리에 따라 조절되는 현상은 안정적인 피드백을 보여준다.Looking at Figure 3, in the case of TERS, it is sensitive to the gap between the sample and the tip, and the phenomenon that is adjusted according to the distance from the measured gap shows stable feedback.

타임 시리즈의 경우도, 안정적으로 TERS를 얻을 수 있는 증거를 보여주고 있다.The time series also shows evidence that TERS can be obtained stably.

도 4는 TERS의 일례를 보여주는 도이다.Figure 4 is a diagram showing an example of TERS.

도 4에서는, TERS의 한 예시로, Conventional한 방법으로 진행되고 있으며, 샘플과 팁 사이의 갭을 조절하여 TERS 이미지를 얻는 과정을 보여준다.Figure 4 is an example of TERS, which is being carried out in a conventional manner and shows the process of obtaining a TERS image by adjusting the gap between the sample and the tip.

도 4에 도시한 바와 같이, 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)에 의해서는, 디지털 사인파 E를 여기시켜, Au Tip이 부착된 튜닝포크로부터 TERS/TEPL을 획득 할 수 있다. 이때, Au Tip은 샘플에 대해, 3D tip positioning 되어 있다.As shown in FIG. 4, the digitized shear force atomic force microscope 100 can excite a digital sine wave E and obtain TERS/TEPL from a tuning fork to which an Au tip is attached. At this time, the Au Tip is 3D tip positioned with respect to the sample.

본 발명의 DAQ는 전압을 주거나 받는 역할을 할 수 있고, 컴퓨터는 코드를 이용하여 디지털 방식으로, Function generating 하고, lock-in amplifier를 할 수 있다.The DAQ of the present invention can serve to give or receive voltage, and the computer can perform function generating and lock-in amplifier digitally using code.

도 5는 디지털 락인의 작동방식을 설명하기 위한 도이다.Figure 5 is a diagram to explain how digital lock-in works.

디지털 락인 앰프리파이어는, DAQ에서 받아드린 튜닝포크의 AC 전압을 컴퓨터 코드 내부에서 받아들여진 시그널과 같은 sampling rate로 배열 형식의 사인파와 코사인파를 만들어 곱하는 방법으로 코드 내부에서 복조 시킬 수 있다.The digital lock-in amplifier can demodulate the AC voltage of the tuning fork received from the DAQ inside the code by creating and multiplying the sine wave and cosine wave in an array format at the same sampling rate as the signal received inside the computer code.

이후 디지털 락인 앰프리파이어는 디지털 로우 패스 필터로 거른 후 나온 배열에 대해, 평균을 취하고 제곱을 한 뒤, 둘을 더하고 제곱근을 취하면 원래 시그널의 amplitude, 정확히는 원하는 시그널의 진폭의 1/2 값이 DC로 나오게 된다.Afterwards, the Digital Lock-in Amplifier takes the average of the array after filtering it with a digital low-pass filter, squares it, adds the two, and takes the square root, resulting in the amplitude of the original signal, or exactly 1/2 of the amplitude of the desired signal. It comes out in DC.

도 5에서, 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은 튜닝포크로부터 수집된 Signal로부터 Sine 파와 Cosine 파를 만들고, 이들 각각을 Low-Pass로 필터링한 후, 평균(mean)/제곱(X2)/덧셈(+)/제곱근(√)을 순차적으로 수행 함으로써, 디지털 락인 앰프리파이어 작용을 동작 할 수 있다.In Figure 5, the digitized shear force atomic force microscope 100 creates a sine wave and a cosine wave from the signal collected from the tuning fork, filters each of them with Low-Pass, and then averages (mean) / square (X 2 ) / addition. By sequentially performing (+)/square root (√), the digital lock-in amplifier function can be operated.

본 발명의 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은 디지털 방식만을 이용하여 함수발생기, Lock-in amplifier, PID control을 구현 할 수 있다. 이때 함수발생기는 컴퓨터에서 디지털 사인파를 만들어서 DAQ로 전압으로 내보내는 방법을 사용할 수 있다. Lock-in amplifier는 튜닝포크에서 나오는 전기 신호를 DAQ로 직접 받아 컴퓨터에서 디지털 락인 프로세싱을 할 수 있다. 컴퓨터는 PID control를 구현 할 수 있다.The digitized shear force atomic force microscope (100) of the present invention can implement a function generator, lock-in amplifier, and PID control using only digital methods. At this time, the function generator can use a method of creating a digital sine wave on a computer and sending it as a voltage to the DAQ. The lock-in amplifier can receive the electrical signal from the tuning fork directly through the DAQ and perform digital lock-in processing on the computer. Computers can implement PID control.

또한, 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은 공명 주파수가 다른 각각의 튜닝포크/탐침에 대해, 샘플과의 거리 조절을 가능하게 할 수 있다.Additionally, the digitized shear force atomic force microscope 100 can enable adjustment of the distance from the sample for each tuning fork/probe with different resonance frequencies.

튜닝포크에 달려있는 뾰족한 탐침은 실리콘, 금, 텅스텐 등을 포함 할 수 있다.The pointed probe attached to the tuning fork may contain silicon, gold, or tungsten.

이하, 도 6에서는 본 발명의 실시예들에 따른 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)의 작업 흐름을 상세히 설명한다.Hereinafter, in FIG. 6, the work flow of the digitized shear force atomic force microscope 100 according to embodiments of the present invention will be described in detail.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른, 디지털화된 전단력 원자력현미경의 동작 방법을 도시한 흐름도이다.Figure 6 is a flowchart showing a method of operating a digitized shear force atomic force microscope according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 디지털화된 전단력 원자력현미경의 동작 방법은 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)에 의해 수행될 수 있다.The operating method of the digitized shear force atomic force microscope according to this embodiment can be performed by the digitized shear force atomic force microscope 100.

우선, 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)의 DAQ에서, 디지털 사인파를 출력하여 튜닝포크로 여기시킨다(610). 단계(610)은 DAQ에 의해 사인형태의 디지털 파를 튜닝포크로 발진시켜, 튜닝포크에 장착된 탐침으로 하여금, 대상물인 샘플에 대해 탐지하도록 하는 과정일 할 수 있다.First, a digital sine wave is output from the DAQ of the digitized shear force atomic force microscope (100) and excited with a tuning fork (610). Step 610 may be a process in which a sine-shaped digital wave is oscillated by a DAQ to a tuning fork, and a probe mounted on the tuning fork detects a sample as an object.

튜닝포크는 일정한 진동수의 파형을 출력시키는 기구로서, 여기 되어 입력되는 디지털 사인파에 의해 공명됨에 따라, 샘플 간의 거리에 따른 전단력 힘이 작용하여, 샘플과 팁사이의 거리에 따른 다른 진폭의 사인파를 출력시켜 샘플의 높이 정보를 알 수 있고, 이를 통해 샘플을 탐지할 수 있게 한다.The tuning fork is a device that outputs a waveform of a certain frequency. As it is excited and resonates with the input digital sine wave, a shear force depending on the distance between the samples is applied, outputting a sine wave of different amplitude depending on the distance between the sample and the tip. This allows you to know the height information of the sample, and through this, you can detect the sample.

디지털 사인파의 출력에 있어, DAQ는, 상기 컴퓨터에서 프로그램으로 만들어진 가상 파형을, 상기 튜닝포크가 공명진동 상태가 되도록 하는 주파수의 전기파동으로 전환하여, 상기 디지털 사인파로서 출력 할 수 있다. 즉, DAQ는 프로그램화하여 제작되는 가상의 사인파를 규정된 주파수로 구동시켜 출력시킬 수 있다. 이때 가상 파형이 구동되는 주파수는, 튜닝포크가 공명진동 상태가 되도록 하는 주파수, 즉 튜닝포크 자체의 고유 주파수와 동일한 주파수일 수 있다.In the output of a digital sine wave, the DAQ can convert a virtual waveform created by a program in the computer into an electric wave of a frequency that causes the tuning fork to enter a resonance vibration state and output it as the digital sine wave. In other words, DAQ can drive and output a virtual sine wave produced by programming at a specified frequency. At this time, the frequency at which the virtual waveform is driven may be the frequency that causes the tuning fork to enter a resonance vibration state, that is, the same frequency as the natural frequency of the tuning fork itself.

또한, 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)의 DAQ에서, 상기 튜닝포크로부터의 전기 신호를 측정한다(620). 단계(620)는 디지털 사인파에 의해 공명진동 상태가 된 튜닝포크에서 샘플이 탐지되어 전기 신호가 바뀌면, DAQ에 의해, 전기 신호를 입력받아 측정하는 과정일 할 수 있다.Additionally, in the DAQ of the digitized shear force atomic force microscope (100), the electrical signal from the tuning fork is measured (620). Step 620 may be a process of receiving and measuring the electrical signal by DAQ when a sample is detected at the tuning fork in a resonance vibration state by a digital sine wave and the electrical signal changes.

계속해서, 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)의 컴퓨터에서, 상기 측정된 전기 신호에 대해, 디지털 락인 앰프리파이어(digital lock-in amplifier) 작용을 통해 기준주파수와 다른 노이즈를 제거한다(630). 단계(630)는 컴퓨터에 의해, DAQ를 통해 수집된 전기 신호에서 정해진 기준에 벗어나는 주파수 영역을 제거 함으로써 노이즈를 필터링하는 과정일 수 있다.Subsequently, in the computer of the digitized shear force atomic force microscope 100, noise different from the reference frequency is removed from the measured electrical signal through a digital lock-in amplifier (630). Step 630 may be a process of filtering noise by removing frequency regions that deviate from a set standard from electrical signals collected through DAQ by a computer.

여기서, 기준주파수는, DAQ에서 출력되어 튜닝포크로 여기시킨 디지털 사인파의 주파수로 정해질 수 있다.Here, the reference frequency can be determined by the frequency of the digital sine wave output from the DAQ and excited with a tuning fork.

실시예에 따라, 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)은 튜닝포크에서 수집된 전기 신호를 증폭하여 보다 정확한 샘플의 높이정보를 획득할 수 있다.Depending on the embodiment, the digitized shear force atomic force microscope 100 may obtain more accurate height information of the sample by amplifying the electrical signal collected from the tuning fork.

이를 위해, 디지털화된 전단력 원자력현미경(100)의 프리앰프에서, 상기 튜닝포크로부터 입력되는 상기 전기 신호를 증폭시켜 상기 DAQ에서, 측정 가능하게 할 수 있다. 이를 통해, 프리앰프는 낮은 크기의 전기 신호를 증폭시켜, 노이즈 제거 동작이 보다 용이해 지도록 할 수 있다.To this end, the electrical signal input from the tuning fork can be amplified in the preamplifier of the digitized shear force atomic force microscope 100 to enable measurement in the DAQ. Through this, the preamplifier can amplify low-level electrical signals, making noise removal easier.

또한, 컴퓨터는, 상기 디지털 락인 앰프리파이어 작용으로서, 상기 DAQ가 인식하는 샘플레이트에 맞춰 작성된 사인형태와 코사인형태의 가상 파동과, 상기 증폭된 전기 신호를 곱셈 할 수 있다.In addition, as the digital lock-in amplifier function, the computer can multiply the amplified electrical signal and a sine-shaped and cosine-shaped virtual wave created according to the sample rate recognized by the DAQ.

컴퓨터는 DAQ(110)에서 받아드린 튜닝포크의 높이정보를 컴퓨터 코드 내부에서 받아들여진 시그널과 같은 샘플레이트로 배열 형식의 사인파와 코사인파를 만들어 곱하는 방법으로 컴퓨터 코드 내부에서 복조시켜, 상기 디지털 락인 앰프리파이어 작용을 수행 할 수 있다.The computer demodulates the height information of the tuning fork received from the DAQ (110) inside the computer code by creating and multiplying the sine wave and cosine wave in an array format at the same sample rate as the signal received inside the computer code, and produces the digital lock-in amplifier. It can perform a refire action.

또한, 컴퓨터는, 상기 노이즈가 제거된 전기 신호에 근거하여, 디지털 PID제어를 통해 샘플과 상기 튜닝포크의 탐침 사이의 간격을 조절 할 수 있다. 즉, 컴퓨터는 디지털 락인 앰프리파이어 작용을 통해 기준주파수와 다른 노이즈를 제거하고, 노이즈 제거된 전기 신호를 바탕으로 디지털 PID제어를 통해 샘플과 탐침 사이의 간격을 수 나노미터로 조절하는 피드백을 할 수 있다.Additionally, the computer can adjust the gap between the sample and the probe of the tuning fork through digital PID control based on the electrical signal from which the noise has been removed. In other words, the computer removes noise different from the reference frequency through the digital lock-in amplifier function, and provides feedback to adjust the gap between the sample and the probe to several nanometers through digital PID control based on the noise-removed electrical signal. You can.

이때, 상기 튜닝포크의 탐침은, 실리콘, 금, 및 텅스텐 중 적어도 하나를 포함하여, 탐지 정밀도를 향상시킬 수 있게 한다.At this time, the probe of the tuning fork includes at least one of silicon, gold, and tungsten, thereby improving detection precision.

본 발명의 일실시예에 따르면, 함수발생기와 락인 앰프리파이어를 컴퓨터로 대체하여, 기존의 아날로그 방식으로 신호를 처리하는 방법을 디지털화 하면서도, 전단력 원자력현미경(AFM)에 쓰일 수 있을 정도의 정밀도를 갖게 하는, 디지털화된 전단력 원자력현미경 및 동작 방법을 제공하는, 디지털화된 전단력 원자력현미경 및 동작 방법을 제공 할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the function generator and lock-in amplifier are replaced with a computer, digitizing the existing analog signal processing method, while maintaining a level of precision that can be used in a shear force atomic force microscope (AFM). It is possible to provide a digitized shear force atomic force microscope and a method of operation, which provides a digitized shear force atomic force microscope and a method of operation.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 전단력 원자력현미경(AFM)에서, 아날로그 함수발생기와 아날로그 락인 앰프리파이어, 및 아날로그 PID를 컴퓨터로 대체하고 디지털방식으로 처리 가능하게 할 수 있다.Additionally, according to an embodiment of the present invention, in a shear force atomic force microscope (AFM), the analog function generator, analog lock-in amplifier, and analog PID can be replaced with a computer and processed digitally.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 충분한 안정성 있는 전단력 원자 현미경을 통해 아날로그에서도 할 수 있는Tip-enhanced Raman Spectroscopy (TERS)측정을 할 수 있다. 이 TERS 측정은 근접장 측정으로써 물질의 광학적 특성을 알 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, Tip-enhanced Raman Spectroscopy (TERS) measurement, which can also be performed in analog, can be performed through a sufficiently stable shear force atomic force microscope. This TERS measurement is a near-field measurement that can determine the optical properties of a material.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded on a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc., singly or in combination. Program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -Includes optical media (magneto-optical media) and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, etc. Examples of program instructions include machine language code, such as that produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.Software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of these, which may configure a processing unit to operate as desired, or may be processed independently or collectively. You can command the device. Software and/or data may be used on any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device to be interpreted by or to provide instructions or data to a processing device. , or may be permanently or temporarily embodied in a transmitted signal wave. Software may be distributed over networked computer systems and thus stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored on one or more computer-readable recording media.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments have been described with limited drawings as described above, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components are used. Alternatively, appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by an equivalent.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims also fall within the scope of the following claims.

100 : 디지털화된 전단력 원자력현미경
110 : DAQ
120 : 컴퓨터
130 : 프리앰프
140 : 튜닝포크
100: Digitized shear force atomic force microscope
110:DAQ
120: computer
130: preamplifier
140: tuning fork

Claims (13)

컴퓨터에서 프로그램으로 만들어진 가상 파형을, 튜닝포크가 공명진동 상태가 되도록 하는 주파수의 전기파동으로 전환하여, 디지털 사인파로서 출력하여 상기 튜닝포크로 여기시키고, 샘플의 높이 정보를 탐지한 상기 튜닝포크로부터의 전기 신호를 측정하는 DAQ(Data AcQuisition); 및
상기 측정된 전기 신호에 대해, 디지털 락인 앰프리파이어(digital lock-in amplifier) 작용을 통해 기준주파수와 다른 노이즈를 제거하는 컴퓨터
를 포함하고,
상기 튜닝포크는,
여기 되어 입력되는 상기 디지털 사인파에 의해 공명됨에 따라 작용하는 전단력을 이용하여, 상기 샘플 간의 거리에 따른 상이한 진폭의 사인파를 출력시킴으로써, 상기 샘플의 높이 정보를 탐지하는
디지털화된 전단력 원자력현미경.
The virtual waveform created by the computer program is converted into an electric wave at a frequency that causes the tuning fork to be in a resonance vibration state, output as a digital sine wave, excited by the tuning fork, and the height information of the sample is detected. DAQ (Data AcQuisition), which measures electrical signals; and
A computer that removes noise different from the reference frequency from the measured electrical signal through a digital lock-in amplifier.
Including,
The tuning fork is,
Detecting height information of the sample by outputting sine waves of different amplitudes depending on the distance between the samples using the shear force that acts as it resonates with the digital sine wave that is excited and input.
Digitized shear force atomic force microscopy.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 디지털화된 전단력 원자력현미경은,
상기 튜닝포크로부터 입력되는 상기 전기 신호를 증폭시켜 상기 DAQ에서, 측정 가능하게 하는 프리앰프
를 더 포함하는 디지털화된 전단력 원자력현미경.
According to paragraph 1,
The digitized shear force atomic force microscope,
A preamplifier that amplifies the electrical signal input from the tuning fork and enables measurement in the DAQ.
Digitized shear force atomic force microscopy further comprising.
제3항에 있어서,
상기 컴퓨터는,
상기 디지털 락인 앰프리파이어 작용으로서, 상기 DAQ가 인식하는 샘플레이트에 맞춰 작성된 사인형태와 코사인형태의 가상 파동과, 상기 증폭된 전기 신호를 곱셈하는
디지털화된 전단력 원자력현미경.
According to paragraph 3,
The computer is,
As the digital lock-in amplifier operation, the amplified electrical signal is multiplied by a virtual wave in the form of a sine and a cosine created according to the sample rate recognized by the DAQ.
Digitized shear force atomic force microscopy.
제1항에 있어서,
상기 컴퓨터는,
상기 노이즈가 제거된 전기 신호에 근거하여, 디지털 PID제어를 통해 샘플과 상기 튜닝포크의 탐침 사이의 간격을 조절하는
디지털화된 전단력 원자력현미경.
According to paragraph 1,
The computer is,
Based on the electrical signal from which the noise has been removed, the gap between the sample and the probe of the tuning fork is adjusted through digital PID control.
Digitized shear force atomic force microscopy.
제5항에 있어서,
상기 튜닝포크의 탐침은,
실리콘, 금, 및 텅스텐 중 적어도 하나를 포함하는
디지털화된 전단력 원자력현미경.
According to clause 5,
The probe of the tuning fork is,
Containing at least one of silicon, gold, and tungsten
Digitized shear force atomic force microscopy.
DAQ에서, 컴퓨터에서 프로그램으로 만들어진 가상 파형을, 튜닝포크가 공명진동 상태가 되도록 하는 주파수의 전기파동으로 전환하여, 디지털 사인파로서 출력하여 튜닝포크로 여기시키는 단계;
상기 튜닝포크에서, 여기 되어 입력되는 상기 디지털 사인파에 의해 공명됨에 따라 작용하는 전단력을 이용하여, 샘플 간의 거리에 따른 상이한 진폭의 사인파를 출력시킴으로써, 상기 샘플의 높이 정보를 탐지하는 단계;
상기 DAQ에서, 상기 샘플의 높이 정보를 탐지한 상기 튜닝포크로부터의 전기 신호를 측정하는 단계; 및
컴퓨터에서, 상기 측정된 전기 신호에 대해, 디지털 락인 앰프리파이어 작용을 통해 기준주파수와 다른 노이즈를 제거하는 단계
를 포함하는 디지털화된 전단력 원자력현미경의 동작 방법.
In DAQ, a virtual waveform created by a computer program is converted into an electric wave at a frequency that causes the tuning fork to be in a resonance vibration state, output as a digital sine wave, and excited by the tuning fork;
Detecting height information of the sample by outputting sine waves of different amplitudes according to the distance between samples using a shear force that acts as the tuning fork resonates with the digital sine wave that is excited and input;
In the DAQ, measuring an electrical signal from the tuning fork that detects height information of the sample; and
In a computer, removing noise different from the reference frequency from the measured electrical signal through a digital lock-in amplifier operation.
Method of operation of a digitized shear force atomic force microscope including.
삭제delete 제7항에 있어서,
프리엠프에서, 상기 튜닝포크로부터 입력되는 상기 전기 신호를 증폭시켜 상기 DAQ에서, 측정 가능하게 하는 단계
를 더 포함하는 디지털화된 전단력 원자력현미경의 동작 방법.
In clause 7,
In the preamplifier, amplifying the electrical signal input from the tuning fork to enable measurement in the DAQ.
A method of operating a digitized shear force atomic force microscope further comprising:
제9항에 있어서,
상기 컴퓨터에서, 상기 디지털 락인 앰프리파이어 작용으로서, 상기 DAQ가 인식하는 샘플레이트에 맞춰 작성된 사인형태와 코사인형태의 가상 파동과, 상기 증폭된 전기 신호를 곱셈하는 단계
를 더 포함하는 디지털화된 전단력 원자력현미경의 동작 방법.
According to clause 9,
In the computer, as the digital lock-in amplifier operation, multiplying the amplified electrical signal by a virtual wave in the form of a sine and a cosine created according to the sample rate recognized by the DAQ.
A method of operating a digitized shear force atomic force microscope further comprising:
제7항에 있어서,
상기 컴퓨터에서, 상기 노이즈가 제거된 전기 신호에 근거하여, 디지털 PID제어를 통해 샘플과 상기 튜닝포크의 탐침 사이의 간격을 조절하는 단계
를 더 포함하는 디지털화된 전단력 원자력현미경의 동작 방법.
In clause 7,
Adjusting the gap between the sample and the probe of the tuning fork through digital PID control, in the computer, based on the electrical signal from which the noise has been removed.
A method of operating a digitized shear force atomic force microscope further comprising:
제11항에 있어서,
상기 튜닝포크의 탐침은,
실리콘, 금, 및 텅스텐 중 적어도 하나를 포함하는
디지털화된 전단력 원자력현미경의 동작 방법.
According to clause 11,
The probe of the tuning fork is,
Containing at least one of silicon, gold, and tungsten
How a digitized shear force atomic force microscope works.
제7항, 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.A computer-readable recording medium recording a program for executing the method of any one of claims 7, 9 to 12.
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