WO2003094174A1 - Continuous temporal evolution method and implementation thereof in order to optimise the frequency response of a force microscope - Google Patents

Continuous temporal evolution method and implementation thereof in order to optimise the frequency response of a force microscope Download PDF

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WO2003094174A1
WO2003094174A1 PCT/ES2003/000191 ES0300191W WO03094174A1 WO 2003094174 A1 WO2003094174 A1 WO 2003094174A1 ES 0300191 W ES0300191 W ES 0300191W WO 03094174 A1 WO03094174 A1 WO 03094174A1
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frequency response
frequency
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Tomás R. RODRÍGUEZ FRUTOS
Ricardo García García
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q30/00Auxiliary means serving to assist or improve the scanning probe techniques or apparatus, e.g. display or data processing devices
    • G01Q30/08Means for establishing or regulating a desired environmental condition within a sample chamber
    • G01Q30/12Fluid environment
    • G01Q30/14Liquid environment

Definitions

  • the current proposal presents the following improvements with respect to the previous proposals.
  • SUBSTITUTE RULE 26 feedback is possible during transients, which does not make it necessary for them to disappear to assume the stationary solution. All of this would allow the development of a digital program that would increase the effective quality factor of the system from 5 to 1000. Which, as far as we know, is not possible with programs based on stationary feedback as its transitory diverges for effective Q factors greater than 200. All this would result in a more precise and faster operation of the modules responsible for modifying the quality factor (scheme 3).
  • this proposal proposes to program the frequency response of a force microscope based on the continuous evolution method.
  • the new free amplitude also depends on the frequency through the quality factor: / ⁇ '( ⁇ )
  • Figure 1 shows this curve for different values of Q 'and Q mt .
  • the amplitude curve is identical to that of a system with a natural Q of 200.
  • the starting equation contains an outdated term a quarter of a period as this is the term that increases the quality factor
  • the integration is done in a total time equal to 4000 periods.
  • the feedback is "turned on” after 50 periods from the initial moment to initially feed back a steady state. The feedback is then left for the remaining time.
  • FIG. 4.b shows in detail where the feedback is turned on.
  • the amplitude versus frequency curves are obtained from the curves of Figure 4 by varying the excitation frequency and measuring the amplitude of the oscillation in the last period.
  • STITUTION RULE 26 Tip-sample distance z c with a round-trip ramp. The choice of the gain G and the exciter force / is carried out as described in the case without sample.
  • the repulsive force will be the same for all cases, with a sample of reduced elastic modulus of 1.51 GPa.
  • the van der Waals force and the adhesion force we will have a Hamaker constant of 6.4 10 "20 J for QnaXlO while for ⁇ note ⁇ . ⁇ 10 we will have a 6.4 10 "21 J constant, that is, an order of magnitude less.
  • the radius of the tip in all cases is 20 nm.
  • the resonant frequency, force constant and AO in all cases are 350 kHz, 40 N / m and 20 nm respectively.
  • the magnitudes we represent are deflection, average force, maximum force and minimum distance between the tip and the sample.
  • the deflection has a greater slope and is more symmetrical in the case of feedback.
  • both the average force and the maximum force are much greater in the
  • TION RULE 26 case without feedback with a low Q mt .
  • the minimum distance (deformation if it is less than zero) is much less in the feedback system.
  • Figure 4. Temporary response of the micropalnca for a feedback system according to the method of continuous temporal evolution.
  • Figure 4.b shows in detail where the feedback is turned on.
  • Figure 6. Differences ( c) a system with a high natural Q (1000) and another with a low natural Q (5) fed back _> using the present method until its particular solution has a high Q '(1000).
  • Figure 7 Deflection curve (a), average force (b), maximum force (c) and minimum distance (d) as a function of the tip-surface distance for a case with a low natural Q without feedback (red) and feedback according to the method of continuous temporal evolution (black).
  • Figure 8 Deflection curve (a), average force (b), maximum force (c) and minimum distance (d) as a function of point-to-surface distance for a natural system that has bistability and no feedback system.

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Abstract

The invention relates to an oscillating mode force microscope (AFM) which has been transformed into one of the most powerful techniques used to characterise surfaces on a nanometric scale. However, the use thereof in liquid media is greatly conditioned by the decline in the quality factor (Q) of the microlever of the AFM. The aforementioned decline, which is the result of an increase in the hydrodynamic friction with the fluid, produces effects such as a reduction in topography sensitivity, slower microscope operation and the presence of greater forces on the sample. As a result, different modes of effectively increasing factor Q have been developed. Nonetheless, all of the analyses of earlier methods are based on the hypothesis of a stationary response.

Description

TITULOTITLE
EL MÉTODO DE EVOLUCIÓN TEMPORAL CONTINUA Y SU IMPLEMENTACIÓN PARA OPTIMIZAR LA RESPUESTA EN FRECUENCIAS DE UN MICROSCOPIO DE FUERZASTHE METHOD OF CONTINUOUS TEMPORARY EVOLUTION AND ITS IMPLEMENTATION TO OPTIMIZE THE FREQUENCY RESPONSE OF A FORCE MICROSCOPE
SECTORSECTOR
MicroscopíaMicroscopy
ANTECEDENTES En 1998 Anczykowski y colaboradores (1) sugirieron que un aumento efectivo del factor de calidad de la micropalanca de un microscopio de fuerzas operado en modo oscilante podría facilitar el funcionamiento del microscopio en el modo llamado atractivo en presencia de fuerzas electrostáticas de largo alcance. Ellos proponían que esto aumentaría la estabilidad del microscopio. Para ello diseñaron un circuito electrónico que contenía un desfasador, un amplificador de la señal y un sumador (esquema 1). Todo ello tenía como finalidad en desfasar la señal instantánea, amplificarla y añadírsela a la excitación. Los mismos autores hicieron un análisis teórico del sistema basados en la ecuaciónBACKGROUND In 1998 Anczykowski et al. (1) suggested that an effective increase in the microbar lever quality factor of a oscillating mode microscope could facilitate the operation of the microscope in the so-called attractive mode in the presence of long-range electrostatic forces. They proposed that this would increase the stability of the microscope. For this they designed an electronic circuit that contained a phase shifter, a signal amplifier and an adder (scheme 1). All this was intended to offset the instantaneous signal, amplify it and add it to the excitation. The same authors made a theoretical analysis of the system based on the equation
• • • m z = -k„z -a -~ z+ E„ cosícot) c eff 0 con ae¡r= a+G, de esta manera ajustando la ganancia es posible modificar el factor de calidad efectivo Qejf=m ü/aeff. Implícitamente en el análisis anterior se asumió que el movimiento de la micropalanca podría venir descrito por una solución del tipo z(t)∞A sinωt.• • • mz = -k „z -a - ~ z + E„ coscot) c eff 0 with a e r = a + G, in this way by adjusting the gain it is possible to modify the effective quality factor Q ej f = m ü / a e ff. Implicitly in the previous analysis it was assumed that the movement of the micro lever could be described by a solution of the type z (t) ∞A sinωt.
Lo cuál como se verá más adelante limita profundamente la descripción del sistema.Which, as will be seen later, deeply limits the description of the system.
HOJA DΕ SUSTITUCIÓN REGLA 26 láserSHEET DΕ REPLACEMENT RULE 26 To be
Figure imgf000004_0001
sumador Generador de funciones
Figure imgf000004_0001
function generator adder
Esquema 1Scheme 1
En 2000 Tamayo y colaboradores (2) aplicaron la idea anterior para el uso de un microscopio de fuerzas en medios líquidos. Como en el caso anterior, estos autores diseñaron un circuito electrónico (esquema 2) para realizar el aumento del factor de calidad, así mismo realizaron un análisis del comportamiento del sistema basado en la ecuación,In 2000 Tamayo and collaborators (2) applied the previous idea for the use of a microscope of forces in liquid media. As in the previous case, these authors designed an electronic circuit (scheme 2) to perform the increase in the quality factor, and also performed an analysis of the behavior of the system based on the equation,
m z = -kcz - γ z+ F cos(ωt) + GA. cos(ωt - φ + π / 2) + E. mtmz = -k c z - γ z + F cos (ωt) + GA. cos (ωt - φ + π / 2) + E. mt
Los autores anteriores resolvieron la citada ecuación mediante un método iterativo para la elección de Ai y φ. Como Ancykowski y colaboradores, el grupo de Miles en Bristol asumió un respuesta estacionaria y dominada por el primer armónico z(t)∞A sinωt.The previous authors solved the aforementioned equation using an iterative method for the choice of Ai and y. Like Ancykowski and collaborators, Miles's group in Bristol assumed a stationary response and dominated by the first harmonic z (t) ∞A sinωt.
Nuestro desarrollo tiene su fundamento en el trabajo tanto teórico como experimental realizado a lo largo de ocho años en el laboratorio de Fuerzas y Túnel del IMM del cuál es responsable (R.G.). Numerosos resultados originales sobre la dependencia de la amplitud de la oscilación, fase y frecuencia de resonancia de la micropalanca con la intensidad y el carácter no lineal de las fuerzas existentes en el microscopio han sido publicados en revistas de prestigio internacional (3) y presentados como contribuciones invitadas en numerosos congresos así mismo internacionales. Por otra parte, el trabajo más directamente relacionado con este desarrollo que aquí se propone, que contempla la evolución temporal continua de la micropalanca con especial énfasis en la relevancia de los términos transitorios, permanecerán sin publicar hasta la resolución de esta solicitud (4).Our development is based on both theoretical and experimental work carried out over eight years in the Forces and Tunnel laboratory of IMM for which it is responsible (RG). Numerous original results on the dependence of the amplitude of the oscillation, phase and resonance frequency of the micro lever with the intensity and non-linear nature of the forces existing in the microscope have been published in internationally renowned journals (3) and presented as Invited contributions at numerous international conferences. On the other hand, the work most directly related to this development proposed here, which contemplates the continuous temporal evolution of the micro lever with special emphasis on the relevance of the transitory terms, will remain unpublished until the resolution of this request (4).
Cabeza AFMAFM head
Lazo de rPíiliTnentnciónRilípnentnción's tie
Electrónica+unidad de controlElectronics + control unit
Figure imgf000005_0001
Figure imgf000005_0001
Esquema 2Scheme 2
La propuesta actual presenta las siguientes mejoras con respecto a las propuestas anteriores.The current proposal presents the following improvements with respect to the previous proposals.
(a). El método de evolución temporal continua permite, al resolver la ecuación del sistema desde el instante inicial una mayor estabilidad en la respuesta en frecuencias a ganancias elevadas. Además, también permite una mayor velocidad en la respuesta del sistema pues la(to). The method of continuous temporal evolution allows, by solving the system equation from the initial moment, greater stability in the response in frequencies to high gains. In addition, it also allows greater speed in the response of the system as the
DE SUSTITUCIÓN REGLA 26 realimentación es posible efectuarla durante los transitorios, con lo cuál no se hace necesario que éstos desaparezcan para asumir la solución estacionaria. Todo ello permitiría desarrollar un programa digital que permitiría aumentar el factor de calidad efectivo del sistema desde 5 hasta 1000. Lo cuál, hasta donde nosotros sabemos, no es posible realizar con programas basados en retroalimentaciones estacionarias pues su transitorio diverge para factores Q efectivos superiores a 200. Todo ello redundaría en un funcionamiento más preciso y rápido de los módulos encargados de modificar el factor de calidad (esquema 3).SUBSTITUTE RULE 26 feedback is possible during transients, which does not make it necessary for them to disappear to assume the stationary solution. All of this would allow the development of a digital program that would increase the effective quality factor of the system from 5 to 1000. Which, as far as we know, is not possible with programs based on stationary feedback as its transitory diverges for effective Q factors greater than 200. All this would result in a more precise and faster operation of the modules responsible for modifying the quality factor (scheme 3).
(b). Al poder simular la curva de frecuencias en todo su rango, es decir desde frecuencias muy inferiores a la de resonancia a frecuencias muy superiores, se podría seleccionar el funcionamiento del microscopio a cualquier frecuencia con independencia de la ganancia. Por otra parte, haría posible la elección a la carta de la respuesta dinámica del sistema antes de efectuar el experimento. Esto significaría, por una parte una mayor reproducibilidad al establecer las condiciones experimentales, por otra parte, una mayor flexibilidad al poder excitar el sistema a frecuencias distintas a la de resonancia.(b). By being able to simulate the frequency curve throughout its range, that is, from frequencies that are much lower than that of resonance at much higher frequencies, the microscope operation can be selected at any frequency regardless of the gain. On the other hand, it would make possible the on-demand choice of the dynamic response of the system before conducting the experiment. This would mean, on the one hand, a greater reproducibility when establishing the experimental conditions, on the other hand, a greater flexibility by being able to excite the system at frequencies other than that of resonance.
(1). B. Ancykowski, J.P. Cleveland, D. Krüger, N. Elings and H. Fuchs, Appl. Phys. A66,(one). B. Ancykowski, J.P. Cleveland, D. Krüger, N. Elings and H. Fuchs, Appl. Phys. A66,
S885-S889 (1998).S885-S889 (1998).
(2). J. Tamayo, A..D.L. Humphris, and M.J. Miles, Appl. Phys. Lett. 77, 582 (2000); A.D.L. Humphris et al. Langmuir 16, 7891 (2000); J. Tamayo et al. Biophys. J. 81, 526(two). J. Tamayo, A..D.L. Humphris, and M.J. Miles, Appl. Phys. Lett. 77, 582 (2000); A.D.L. Humphris et al. Langmuir 16, 7891 (2000); J. Tamayo et al. Biophys J. 81, 526
(2001).(2001).
(3). R. García et al. Appl. Phys. A66, S309 (1998); R. García and A. San Paulo, Phys. Rev.(3). R. García et al. Appl. Phys. A66, S309 (1998); R. García and A. San Paulo, Phys. Rev.
B 60, 4961 (1999); J. Tamayo and R. García, Langmuir 12, 4430 (1996); R. García et al.B 60, 4961 (1999); J. Tamayo and R. García, Langmuir 12, 4430 (1996); R. García et al.
Surf. Interface Anal. 27, 312 (1999); R. García and A. San Paulo, Ultramicroscopy 82, 79 (2000); A. San Paulo and R. García, Biophys. J. 78, 1599 (2000); R. García and A. SanSurf. Anal interface 27, 312 (1999); R. García and A. San Paulo, Ultramicroscopy 82, 79 (2000); A. San Paulo and R. García, Biophys. J. 78, 1599 (2000); R. García and A. San
Paulo, Phys. Rev. B 61, R13381 (2000); A. San Paulo and R. García, Phys. Rev. B 64,Paulo, Phys. Rev. B 61, R13381 (2000); A. San Paulo and R. García, Phys. Rev. B 64,
193411 (2001); A. San Paulo and R. García, Surface Sci. 471, 71 (2001); T.R. Rodríguez and R. García, Appl. Phys. Lett. 81 (2002)193411 (2001); A. San Paulo and R. García, Surface Sci. 471, 71 (2001); T.R. Rodríguez and R. García, Appl. Phys. Lett. 81 (2002)
(4). T.R. Rodríguez and R. García (pendiente de publicación).(4). T.R. Rodríguez and R. García (pending publication).
GLA 26 Adquisición y procesado de la señalGLA 26 Acquisition and signal processing
espeespe
láserTo be
Figure imgf000007_0001
Figure imgf000007_0001
Generador de funcionesFunction generator
Esquema 3Scheme 3
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
Como ya se ha mencionado anteriormente la presente propuesta plantea programar la respuesta en frecuencias de un microscopio de fuerzas basada en el método de evolución continua. Para comprender mejor el alcance de esta propuesta vamos a efectuar una revisión de los desarrollos utilizados en las referencias (1) y (2) del apartado anterior para Entender las limitaciones asociadas a estas aproximaciones.As mentioned earlier, this proposal proposes to program the frequency response of a force microscope based on the continuous evolution method. To better understand the scope of this proposal, we will review the developments used in references (1) and (2) of the previous section to understand the limitations associated with these approaches.
1. Control del factor de calidad mediante aproximaciones estacionarias1. Quality factor control through stationary approaches
La ecuación del movimiento de partida esThe equation of the starting movement is
x+ x
Figure imgf000007_0002
Esta ecuación es idéntica a la empleada por Ancykowski y en la práctica es la usada por los trabajos referenciados en (2).
x + x
Figure imgf000007_0002
This equation is identical to that used by Ancykowski and in practice is the one used by the works referenced in (2).
Donde x es la deflexión, Qnat es el factor de calidad no modificado, coo es la frecuencia natural del sistema, G es la ganacia yf es la fuerza de excitación. Esta ecuación tiene como solución general la suma de una solución particular y de la solución homogénea.Where x is the deflection, Q nat is the unmodified quality factor, coo is the natural frequency of the system, G is the gain and f is the excitation force. This equation has as a general solution the sum of a particular solution and the homogeneous solution.
1.1. Solución particular.1.1. Particular solution.
Figure imgf000008_0001
Figure imgf000008_0001
Suponemos : xp (t) = _4e'(ω(_φ) => sustituyendo en la ecuaciónWe assume: x p (t) = _4e ' (ω (_φ) => substituting in the equation
ω0 22 e _!l
Figure imgf000008_0002
ω 0 22 e _! l
Figure imgf000008_0002
Figure imgf000008_0003
Figure imgf000008_0003
Ahora consideramos que G es una constante. El nuevo factor de calidad va a depender de la frecuencia de esta forma:Now we consider that G is a constant. The new quality factor will depend on the frequency in this way:
β'(ω) GQ„β '(ω) GQ „
1 — coto,1 - preserve,
La nueva amplitud libre también depende de la frecuencia a través del factor de calidad: /β'(ω)The new free amplitude also depends on the frequency through the quality factor: / β '(ω)
A (ω) = mω„A (ω) = mω „
Para fijar G y f, fijamos el factor de calidad y la amplitud libre en la frecuencia de resonancia que serán dos de nuestros parámetros de entrada:To set G and f, we set the quality factor and the free amplitude in the resonant frequency that will be two of our input parameters:
Defino : Q'(ωQ) ≡ Q';A'00) ≡ A< 0 Define: Q '(ω Q ) ≡ Q'; A ' 00 ) ≡ A < 0
Figure imgf000009_0001
Figure imgf000009_0001
Con estas consideraciones tenemos que la curva de la amplitud frente a la frecuencia de la solución particular queda de la siguiente manera:With these considerations we have that the amplitude curve versus the frequency of the particular solution is as follows:
Figure imgf000009_0002
Figure imgf000009_0002
La figura 1 muestra esta curva para distintos valores de Q ' y Qmt. Vemos que para un sistema con un Q natural de 5 al que aplicamos la ganancia correspondiente para tener un Q' de 200, la curva de amplitud es idéntica a la de un sistema con un Q natural de 200.Figure 1 shows this curve for different values of Q 'and Q mt . We see that for a system with a natural Q of 5 to which we apply the corresponding gain to have a Q 'of 200, the amplitude curve is identical to that of a system with a natural Q of 200.
A priori este sería el caso ideal de funcionamiento del Q-control. Sin embargo, en cualquier sistema real antes de alcanzar el estado estacionario existen unos términos transitorios que no han sido considerados en este análisis y que, como veremos a continuación modifican drásticamente el comportamiento del sistema. Para ello tenemos que resolver también la ecuación homogénea. 1.2. Solución homogéneaA priori this would be the ideal case of Q-control operation. However, in any real system before reaching the steady state there are some transitory terms that have not been considered in this analysis and, as we will see below, dramatically modify the behavior of the system. To do this we also have to solve the homogeneous equation. 1.2. Homogeneous solution
Figure imgf000010_0001
Figure imgf000010_0001
Supongo : xh (t) = ekl -^ sustituyendo en la ecuaciónI guess: x h (t) = e kl - ^ replacing in the equation
Figure imgf000010_0002
Figure imgf000010_0002
La solución general será: x(t) = xh (i) + xp (t) = e~°" (R cosfut + C senτσt) + _4(ω ) cos(ωt -φ (ω ))The general solution will be: x (t) = x h (i) + x p (t) = e ~ ° "(R cosfut + C senτσt) + _4 (ω) cos (ωt -φ (ω))
Con: ω„ α = -With: ω „α = -
2fl 2ω2fl 2ω
Figure imgf000010_0003
Figure imgf000010_0003
R, C constantes que dependen de las condiciones inicialesR, C constants that depend on the initial conditions
Tenemos que estudiar en qué caso el sistema deja de decaer exponencialmente en función de Q'. Esto sucederá cuando α <0, es decir: ω0 We have to study in which case the system stops decaying exponentially as a function of Q '. This will happen when α <0, that is: ω 0
< 0 : 1 < . -β nat ^ 2β„ 2ω QQn ω<0: 1 <. -β nat ^ 2β „2ω QQ n ω
ωω
1- Qn • INESTABLE O rx Q1- Qn • UNSTABLE OR rx Q
Esto se puede apreciar en la figura 2. Estas curvas están calculadas resolviendo la ecuación de movimiento numéricamente variando la frecuencia de excitación. Medimos la amplitud pasados 4000 periodos. Vemos que para el caso con Qmt = 5 y Q' = 200 la curva se hace inestable a ω / ωo =0.975. En la figura 3 se aprecia la divergencia de la señal con el tiempo cuando excitamos con una frecuencia menor que 0.975o_o . Tanto la inestabilidad como la divergencia observadas en las figuras anteriores ponen de manifiesto las limitaciones de los programas de la respuesta en frecuencias del microscopio de fuerzas basadas en retroalimentaciones estacionarias o seudoestacionarias. La descripción teórica anterior se corresponde con la efectuada por la mayoría de los artículos que se refieren al tema y también predicen inestabilidades del tipo que mencionamos aquí (1-2). Todo su argumento radica en lo siguiente, la excitación extra se debe a una realimentación con la señal de salida desfasada 90° y si el movimiento de la micropalanca es sinusoidal dicha excitación es proporcional a la velocidad y, a partir de ahí se llega a la ecuación de movimiento que señalamos al principio. Sin embargo esto no es correcto ya que para que dicha señal sea la velocidad tenemos que estar en un estado estacionario todo el tiempo, lo cuál es incorrecto por ignorar los términos transitorios que se excitan siempre que se introduzca una perturbación o excitación al sistema oscilante.This can be seen in Figure 2. These curves are calculated by solving the equation of motion numerically by varying the excitation frequency. We measure the amplitude after 4000 periods. We see that for the case with Q mt = 5 and Q '= 200 the curve becomes unstable at ω / ωo = 0.975. Figure 3 shows the divergence of the signal over time when we excite with a frequency less than 0.975o_o. Both the instability and the divergence observed in the previous figures show the limitations of the frequency response programs of the microscope of forces based on stationary or pseudo-stationary feedback. The previous theoretical description corresponds to that made by most of the articles that refer to the subject and also predict instabilities of the type mentioned here (1-2). All its argument lies in the following, the extra excitation is due to a feedback with the output signal out of phase 90 ° and if the movement of the micro lever is sinusoidal, said excitation is proportional to the speed and, from there, it reaches the equation of motion we pointed out at the beginning. However, this is not correct since for that signal to be the velocity we have to be in a steady state all the time, which is incorrect because of ignoring the transient terms that are excited whenever a disturbance or excitation is introduced to the oscillating system.
2. Control del factor-Q mediante la realimentación basada en el método de evolución temporal continua2. Control of the Q-factor through feedback based on the method of continuous temporal evolution
La ecuación de partida contiene un término desfasado un cuarto de periodo por ser éste el término que aumenta el factor de calidad,The starting equation contains an outdated term a quarter of a period as this is the term that increases the quality factor,
x+ cosωt -Gx(t-~)
Figure imgf000011_0001
x + cosωt -Gx (t- ~)
Figure imgf000011_0001
Si la solución fuera la estacionaria (x(t)~cos(ωt-φ)), entonces el término de realimentación será idéntico al del caso anterior con la velocidad. Sin embargo la realimentación incluye tanto la componente estacionaria como la componente transitoria y por lo tanto la descripción habrá de efectuarse incluyendo ambas. 2.1. Solución particular.If the solution were stationary (x (t) ~ cos (ωt-φ)), then the feedback term will be identical to the previous case with velocity. However, the feedback includes both the stationary and the transient component and therefore the description must be made including both. 2.1. Particular solution.
Para mayor agilidad en la solución, utilizamos variables complejas. Así se obtiene,For greater agility in the solution, we use complex variables. This is how it is obtained,
x+ — —x+G>2x = — cosωt -Gx(t-^-): zínat m (suponiendo x (t) = Ae'(a ))
Figure imgf000012_0001
x + - —x + G> 2 x = - cosωt -Gx (t - ^ -): zínat m (assuming x (t) = Ae ' (a) )
Figure imgf000012_0001
Figure imgf000012_0002
Figure imgf000012_0002
β ' y Q tienen el mismo significado que en el caso anterior. Por tanto, la figura 1 también es válida para este tipo de descripción. La contribución de los transitorios del sistema se obtiene a partir de resolver la ecuación homogénea.β 'and Q have the same meaning as in the previous case. Therefore, Figure 1 is also valid for this type of description. The contribution of the transients of the system is obtained from solving the homogeneous equation.
2.2. Solución homogénea:2.2. Homogeneous solution:
x + — — x+ωlx + Gx{t—ξ ) = Q ^> (suponiendo xh (t) = ekt )x + - - x + ωlx + Gx {t — ξ) = Q ^> (assuming x h (t) = e kt )
*¿nat k ',2l + , - ω0 -k 7,+ , ω „ 22 + G ~e -~í*- = 0 fí nat* ¿Nat k ', 2 l +, - ω 0 -k 7, +, ω „2 2 + G ~ e - ~ í * - = 0 fí nat
Vemos que queda una ecuación trascendente para las incógnitas complejas k. Por tanto, laWe see that there is a transcendent equation for complex unknowns k. Therefore, the
2 x(t) = ∑B ¡' + _4(ω)cos(ωt -φ) solución particular será la siguiente:2 x (t) = ∑B ¡ '+ _4 (ω) cos (ωt -φ) particular solution will be the following:
Donde B, son constantes que dependen de las condiciones iniciales y k¡ son las raíces complejas de la ecuación trascendente anterior. En este caso no podemos decidir con certeza si la solución general va a ser estable o no debido a la dificultad de encontrar las raíces k¡. Por tanto, nos limitaremos a dibujar las curvas de amplitud frente a la frecuencia de la figura 2 pero resolviendo la ecuación con realimentación basada en el método de evolución temporal continua. Las simulaciones se han efectuado de la siguiente manera,Where B, they are constants that depend on the initial conditions and k¡ are the complex roots of the previous transcendent equation. In this case we cannot decide with certainty if the general solution is going to be stable or not due to the difficulty of finding the roots k¡. Therefore, we will simply draw the amplitude curves against the frequency of Figure 2 but solve the equation with feedback based on the method of continuous temporal evolution. The simulations have been carried out as follows,
1°. Tenemos como entrada el factor de calidad natural Qnat, la frecuencia de resonancia fo y la constante de la micropalanca kc.1st. We have as input the natural quality factor Q nat , the resonance frequency fo and the constant of the micro lever k c .
2°. Elegimos como entrada también Q ' y _40' de tal manera que en la solución particular (que se supone que sería el estacionario) se tenga ese factor de calidad y esa amplitud libre. Esto nos fija / y G.2nd. We also choose Q 'and _4 0 ' as input so that in the particular solution (which is supposed to be stationary) there is that quality factor and that free amplitude. This sets us / and G.
3°. La integración se hace en un tiempo total igual a 4000 periodos. La realimentación se "enciende" pasados 50 periodos desde el instante inicial para realimentar en un principio con un estado estacionario. Después se deja la realimentación el tiempo restante.3rd. The integration is done in a total time equal to 4000 periods. The feedback is "turned on" after 50 periods from the initial moment to initially feed back a steady state. The feedback is then left for the remaining time.
Un ejemplo típico de simulación de la oscilación en el tiempo se puede ver en la figura 4. En la figura 4.b se ve en detalle dónde se enciende la retroalimentación.A typical example of time swing simulation can be seen in Figure 4. Figure 4.b shows in detail where the feedback is turned on.
4°. Las curvas de amplitud frente a la frecuencia se obtienen de las curvas de la figura 4 variando la frecuencia de excitación y midiendo la amplitud de la oscilación en el último periodo.4th. The amplitude versus frequency curves are obtained from the curves of Figure 4 by varying the excitation frequency and measuring the amplitude of the oscillation in the last period.
Para efectuar una comparación con el método estacionario se calculan las mismas curvas que en la figura 2 (figura 5). Aquí dibujamos en cada gráfico tres curvas, la curva de resonancia para el sistema realimentado, el ajuste por mínimos cuadrados de esta curva a una Lorentziana y la curva de resonancia para un sistema sin realimentar con un Qnat igual al Q' del realimentado. Se observan los siguientes resultados,To make a comparison with the stationary method the same curves are calculated as in figure 2 (figure 5). Here we draw on each graph three curves, the resonance curve for the feedback system, the least squares adjustment of this curve to a Lorentzian and the resonance curve for an unrefeed system with a Q nat equal to the Q 'of the feedback. The following results are observed,
ÓN REGLA 26 1. Las curvas de resonancia son más estables en este caso que en el caso estacionario pues ya no se observan divergencias a frecuencias bajas.ON RULE 26 1. The resonance curves are more stable in this case than in the stationary case because divergences are no longer observed at low frequencies.
2. A medida que cambiamos la ganancia y la fuerza para obtener un Q ' más alto y con una A O constante, vemos que obtenemos tanto una amplitud libre como un factor de calidad menores que lo esperado si tuviéramos un estacionario descrito sólo por la solución particular.2. As we change the gain and strength to obtain a higher Q 'and with a constant AO, we see that we obtain both a free amplitude and a lower quality factor than expected if we had a stationary described only by the particular solution .
3. La frecuencia de resonancia del sistema se va desplazando a frecuencias más altas a medida que aumentamos la ganancia. En cualquier caso, el desplazamiento es inferior a 0.1 kHz pero a Q' altos puede provocar una importante caída de la amplitud a la frecuencia de resonancia natural del sistema /Q. Esto lo podemos apreciar en la figura 6. Se representa la oscilación a la frecuencia jo en un sistema con un O,„α=1000 y en otro sistema con un Qmt =5 y Q' = 1000 (Qeff=664) y vemos que la amplitud en este último es mucho menor por el efecto combinado de la disminución de la amplitud libre y del desplazamiento de la resonancia.3. The system's resonance frequency shifts to higher frequencies as we increase the gain. In any case, the displacement is less than 0.1 kHz but at high Q 'can cause a significant drop in amplitude at the natural resonance frequency of the system / Q. This can be seen in Figure 6. The oscillation at frequency jo is represented in a system with an O, „ α = 1000 and in another system with a Q mt = 5 and Q '= 1000 (Q e ff = 664) and we see that the amplitude in the latter is much smaller due to the combined effect of the decrease in free amplitude and the displacement of the resonance.
Conclusiónconclusion
La explicación teórica dada en los artículos que nos referíamos anteriormente no es correcta (1-2) ya que no es equivalente considerar la señal de deflexión desfasada 90° como la velocidad en todo instante. Precisamente la descripción que considera realimentación en la deflexión en un instante anterior da curvas de resonancia estables, aunque dichas curvas no se correspondan con la solución particular de la ecuación.The theoretical explanation given in the articles we referred to above is not correct (1-2) since it is not equivalent to consider the 90 ° offset deflection signal as the velocity at all times. Precisely the description that considers feedback in deflection at an earlier time gives stable resonance curves, although these curves do not correspond to the particular solution of the equation.
Caso de una micropalanca en la proximidad de una muestraCase of a micro lever in the vicinity of a sample
A continuación se estudia el comportamiento del sistema cuando la micropalanca se encuentra en las proximidades de una superficie. Para ello usamos la ecuación de movimiento con realimentación basada en el método de evolución temporal continua descrito anteriormente. Además, incluimos la interacción punta-muestra dada por el modelo DMT para fuerzas de corto alcance y fuerzas de van der Waals para fuerzas de largo alcance. Realizamos curvas de amplitud frente a distancia en el tiempo, haciendo variar laNext, the behavior of the system is studied when the micro lever is in the vicinity of a surface. For this we use the equation of motion with feedback based on the method of continuous temporal evolution described above. In addition, we include the tip-sample interaction given by the DMT model for short-range forces and van der Waals forces for long-range forces. We perform amplitude curves versus distance over time, varying the
STITUCIÓN REGLA 26 distancia punta-muestra zc con una rampa de ida y vuelta. La elección de la ganancia G y de la fuerza excitadora/se realiza como se describe en el caso sin muestra.STITUTION RULE 26 Tip-sample distance z c with a round-trip ramp. The choice of the gain G and the exciter force / is carried out as described in the case without sample.
Detalles de la simulación: Elegimos los parámetros (A' , k, Q', G, fsxc=f). En el instante inicial el cantilever está a 3 mieras. Los 100 primeros periodos se deja evolucionar el sistema sin ninguna realimentación hasta que se alcanza un estacionario. Transcurrido ese tiempo se enciende la realimentación (todavía a 3 mieras) y se dejan pasar 400 periodos. De nuevo se alcanza un estacionario con la amplitud ligeramente menor que_4 o debido a que la solución general del movimiento no es solamente la solución particular (véase el caso sin muestra). Posteriormente se acerca la punta hasta una distancia igual a (A' +5) ran. A partir de ahí la distancia se va reduciendo hasta 0 nm para volver a aumentar hasta llegar a (A'Q+5) nm. Cada curva se simula para que se realice en 4 Hz aproximadamente.Simulation details: We choose the parameters (A ', k, Q', G, f sxc = f). In the initial moment the cantilever is 3 microns. The first 100 periods allow the system to evolve without any feedback until a stationary is reached. After that time the feedback is switched on (still at 3 microns) and 400 periods are allowed to pass. Again a stationary is reached with the amplitude slightly less than_4 or because the general solution of the movement is not only the particular solution (see the case without sample). Subsequently the tip is approached to a distance equal to (A '+5) ran. From there the distance is reduced to 0 nm to increase again to reach (A'Q + 5) nm. Each curve is simulated to be performed at approximately 4 Hz.
Con respecto a las interacciones tenemos que decir que la fuerza repulsiva va a ser la misma para todos los casos, con una muestra de módulo de elasticidad reducido de 1.51 GPa. En el caso de la fuerza de van der Waals y la fuerza de adhesión tendremos para QnaXlO una constante de Hamaker de 6.4 10"20 J mientras que para β„β.<10 tendremos una constante de 6.4 10"21 J, es decir, un orden de magnitud menor. El radio de la punta en todos los casos es de 20 nm. La frecuencia de resonancia, la constante de fuerza y A O en todos los casos son 350 kHz, 40 N/m y 20 nm respectivamente.With respect to the interactions we have to say that the repulsive force will be the same for all cases, with a sample of reduced elastic modulus of 1.51 GPa. In the case of the van der Waals force and the adhesion force we will have a Hamaker constant of 6.4 10 "20 J for QnaXlO while for β„ β. <10 we will have a 6.4 10 "21 J constant, that is, an order of magnitude less. The radius of the tip in all cases is 20 nm. The resonant frequency, force constant and AO in all cases are 350 kHz, 40 N / m and 20 nm respectively.
ResultadosResults
Las magnitudes que representamos son la deflexión, la fuerza promedio, la fuerza máxima y la distancia mínima entre la punta y la muestra. Queremos ver las diferencias que existen cuando realimentamos o no un sistema con un Q,ιai bajo. Esto lo vemos en la figura 8. En rojo se representa la deflexión, la fuerza promedio, la fuerza máxima y la distancia mínima para un sistema con un Qnat = 5 sin realimentar y en negro el mismo sistema pero realimentado para que se obtenga un Q ' = 50. Se observan diferencias notables. En primer lugar la deflexión tiene mayor pendiente y es más simétrica en el caso realimentado. En segundo lugar, tanto la fuerza promedio como la fuerza máxima son mucho mayores en elThe magnitudes we represent are deflection, average force, maximum force and minimum distance between the tip and the sample. We want to see the differences that exist when we feedback or not a system with a low Q, ιai . We see this in figure 8. In red the deflection, the average force, the maximum force and the minimum distance for a system with a Q nat = 5 without feedback are represented and in black the same system but feedback so that a Q '= 50. Notable differences are observed. First, the deflection has a greater slope and is more symmetrical in the case of feedback. Second, both the average force and the maximum force are much greater in the
CIÓN REGLA 26 caso sin realimentar con un Qmt bajo. La distancia mínima (deformación en el caso de que sea menor que cero) es mucho menor en el sistema realimentado.TION RULE 26 case without feedback with a low Q mt . The minimum distance (deformation if it is less than zero) is much less in the feedback system.
Además, con este sistema podemos reducir el rango de biestabilidad para sistemas con un factor de calidad alto aumentándolo aún más. Esto se aprecia en la figura 8 donde al retroalimentar el sistema natural se favorece el régimen atractivo de funcionamiento.In addition, with this system we can reduce the bistability range for systems with a high quality factor increasing it further. This can be seen in Figure 8, where the natural system favors the attractive operating regime.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURASDESCRIPTION OF THE FIGURES
Figura 1. Amplitud de la solución particular en función de la frecuencia para dos casos sin realimentar con factores de calidad naturales iguales a 5 (azul) y 200 (puntos negros). En rojo un caso realimentado de 5 a 200.Figure 1. Amplitude of the particular solution as a function of frequency for two cases without feedback with natural quality factors equal to 5 (blue) and 200 (black dots). In red a case fed from 5 to 200.
Figura 2. Amplitud de la solución completa en función de la frecuencia para los casos descritos en la figura 1. Nótese la drástica influencia de la solución homogénea en el caso realimentado para frec (b) as bajas. Figura 3. Respuesta temporal divergente de la micropalanca en el sistema realimentado a una frecuencia de excitación ligeramente menor que la de resonancia.Figure 2. Amplitude of the complete solution as a function of the frequency for the cases described in Figure 1. Note the drastic influence of the homogeneous solution in the case fed back for low frequencies (b). Figure 3. Divergent temporal response of the micro lever in the feedback system at a slightly lower excitation frequency than that of resonance.
Figura 4. Respuesta temporal de la micropalnca para un sistema realimentado según el método de evolución temporal continua. En la figura 4.b se muestra en detalle dónde se enciende la retroalimentación. Figura 6. Diferencias (c) un sistema con un Q natural alto (1000) y otro con un Q natural bajo (5) realimentado _>ιgu_endo el presente método hasta tener su solución particular un Q' alto (1000).Figure 4. Temporary response of the micropalnca for a feedback system according to the method of continuous temporal evolution. Figure 4.b shows in detail where the feedback is turned on. Figure 6. Differences ( c) a system with a high natural Q (1000) and another with a low natural Q (5) fed back _> using the present method until its particular solution has a high Q '(1000).
Figura 7. Curva de deflexión (a), fuerza promedio (b), fuerza máxima (c) y distancia mínima (d) en función de la distancia punta-superficie para un caso con un Q natural bajo sin realimentar (rojo) y realimentado según el método de evolución temporal continua (negro).Figure 7. Deflection curve (a), average force (b), maximum force (c) and minimum distance (d) as a function of the tip-surface distance for a case with a low natural Q without feedback (red) and feedback according to the method of continuous temporal evolution (black).
Figura 8. Curva de deflexión (a), fuerza promedio (b), fuerza máxima (c) y distancia mínima (d) en función de la distancia punta-superficie para un sistema natural que presenta biestabilidad y el sistema retroalimentado no.Figure 8. Deflection curve (a), average force (b), maximum force (c) and minimum distance (d) as a function of point-to-surface distance for a natural system that has bistability and no feedback system.
CIÓN REGLA 26 TION RULE 26

Claims

REIVINDICACIONES
(a). El método de evolución temporal continua para resolver la respuesta en frecuencias de la micropalanca de un microscopio de fuerzas. Este método considera que la respuesta de la micropalanca está afectada tanto por los términos provenientes de resolver la ecuación particular como la homogénea del sistema. Y esto permite establecer que la retroalimentación más óptima para aumentar de forma efectiva la ganancia del sistema G es añadir a la deflexión instantánea la señal existente un cuarto de periodo anterior.(to). The method of temporal evolution continues to resolve the frequency response of the micro lever of a force microscope. This method considers that the response of the micro lever is affected both by the terms from solving the particular equation and the homogeneous system. And this makes it possible to establish that the most optimal feedback to effectively increase the gain of the G system is to add to the instantaneous deflection the existing signal a quarter of an earlier period.
(b). Implementación del método mencionado en (a) en un programa informático para controlar la respuesta dinámica de la micropalanca de un microscopio de fuerzas. Dadas las características del método de evolución temporal continua esta implementación permitiría evitar las divergencias existentes a frecuencias menores que la de resonancia que presentan los programas desarrollados con soluciones estacionarias cuando G>γω.(b). Implementation of the method mentioned in (a) in a computer program to control the dynamic response of the microscope of a force microscope. Given the characteristics of the method of continuous temporal evolution, this implementation would allow to avoid the existing divergences at frequencies lower than the resonance presented by programs developed with stationary solutions when G> γω.
(c). El método descrito en (a) proporciona factores de calidad Q mayores para valores de G menores que los obtenidos por métodos estacionarios debido a que la retroalimentación siempre está desfasada T/4 con respecto a la señal instantánea.(c). The method described in (a) provides higher Q quality factors for G values lower than those obtained by stationary methods because the feedback is always out of date T / 4 with respect to the instantaneous signal.
(d). Programar a la carta la respuesta en frecuencias del movimiento de la micropalanca. Esto incluye: (1) el programa de adquisición de la respuesta en frecuencias de la micropalanca sin modificar. (2) El ajuste de los datos experimentales a una curva Lorenziana. De este ajuste se obtiene la amplitud libre, la frecuencia de resonancia oo y el factor de calidad natural Qnat. Con esos valores y el programa descrito en (b) el usuario podrá elegir la respuesta en frecuencias del microscopio deseada.(d). Program the response in frequencies of the movement of the micro lever. This includes: (1) the program for acquiring the frequency response of the unmodified micro lever. (2) The adjustment of the experimental data to a Lorenzian curve. From this adjustment, the free amplitude, the resonant frequency oo and the natural quality factor Q nat are obtained . With these values and the program described in (b) the user can choose the frequency response of the desired microscope.
STITUCIÓN REGLA 26 STITUTION RULE 26
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