WO2013053968A1

WO2013053968A1 - Procedimiento de control de un microscopio de barrido

Info

Publication number: WO2013053968A1
Application number: PCT/ES2012/070703
Authority: WO
Inventors: David MARTINEZ MARTIN; Miriam Jaafar RUIZ-CASTELLANOS; Julio Gomez Herrero
Original assignee: Universidad Autonoma De Madrid
Priority date: 2011-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2013-04-18
Also published as: ES2403555A1; ES2403555B1; US20140317789A1; DE112012004221T5; US9091704B2

Abstract

Procedimiento de control con al menos dos lazos de control para un microscopio de barrido provisto de una micropalanca y un actuador adaptado para excitar la micropalanca, donde un primer lazo mantiene como variable controlada la amplitud de oscilación de la micropalanca y como variable manipulada la amplitud de la señal eléctrica introducida en el actuador y un segundo lazo usa como variable controlada amplitud de la señal eléctrica anterior y como variable manipulada la distancia punta-muestra. Gracias a este procedimiento es posible ignorar cambios de signo en la interacción punta-muestra.

Description

PROCEDIMIENTO DE CONTROL DE UN MICROSCOPIO DE BARRIDO

D E S C R I P C I Ó N

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La invención se encuadra en el campo de los microscopios de fuerza atómica. En particular, se refiere a un procedimiento de control de un microscopio de barrido.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La microscopía de fuerza atómica (AFM) es una de las herramientas más versátiles en la exploración y manipulación de los sistemas de tamaño micrométrico y nanométrico. Desde su invención en la década de los años 80, esta técnica se ha ido mejorando llegando a conquistar prácticamente todos los ambientes de trabajo: desde los sistemas que funcionan en condiciones de ultra alto vacío (UHV), a los que se encuentran inmersos en medio líquido, pasando por supuesto por las condiciones atmosféricas habituales en las que nosotros mismos vivimos.

El AFM, se basa en una micropalanca que actúa a modo de sonda. Esta micropalanca, dispuesta en voladizo, es decir, con un extremo fijo y otro libre, presenta una punta muy afilada en su extremo libre. El funcionamiento de esta herramienta se basa en hacer interaccionar la punta de la micropalanca con la muestra o sistema que se quiere estudiar. Dicha interacción provoca cambios en algunos observables de la micropalanca, que finalmente se traducen en cambios de posición de la misma. Por lo tanto, una parte fundamental del AFM es el sistema de detección de posición de la micropalanca. Por lo general, la medida de la posición de la micropalanca, se realiza mediante un sistema óptico, que consiste en un haz de luz láser adecuadamente focalizado en el extremo libre de la micropalanca. Los cambios de posición de la misma producen entonces cambios en la dirección del haz láser reflejado, el cual es recogido con un fotodiodo.

El modo de trabajo de contacto consiste en apoyar directamente la micropalanca sobre la muestra en estudio como si se tratara de un perfilómetro, alejando o acercando la punta respecto de la muestra, para conseguir mantener constante la posición de la micropalanca a medida que se produce el deslizamiento relativo de la punta sobre la muestra. Obviamente, esta forma de trabajar es muy invasiva debido al contacto directo punta-muestra, por lo que sólo puede utilizarse en muestras relativamente duras y rígidas en las que las fuerzas aplicadas no supongan un problema.

Para evitar los inconvenientes del modo de contacto, surgió la idea de eliminar el contacto directo entre punta y muestra. La manera de evitar este contacto consiste en hacer oscilar la micropalanca con un movimiento sinusoidal de una o más frecuencias simultáneas. Dicho movimiento está caracterizado por su amplitud y frecuencia de oscilación, las cuales pueden determinarse midiendo los cambios de posición de la micropalanca a lo largo del tiempo. Sin necesidad de alcanzar el contacto directo en este caso, la interacción punta-muestra modifica la frecuencia y la amplitud de oscilación.

En la publicación de Albrecht, T.R., et al., " Frequency-Modulation Detection Using High-Q Cantilevéis for Enhanced Forcé Microscope Sensitivity", Journal of Applied Physics, 1991 . 69(2): p. 668-673., se toma la frecuencia como condición de control, manteniendo un valor fijo para la amplitud de oscilación. Este método (denominado Modulación en Frecuencia o FM) es mucho más sofisticado que el anterior requiriendo una electrónica de control mucho más potente, así como una amplia experiencia por parte del usuario para poder funcionar. Realizando cambios importantes en las condiciones de operación, permite trabajar en los diferentes ambientes.

El principal problema que presenta el modo FM es la posible pérdida de control del AFM debido a cambios de signo en la interacción. La curva de interacción punta- muestra en la figura 1 (curva canónica cuando se trabaja en aire o vacío) ilustra el porqué de esta pérdida de control. Como podemos observar en las figuras 2a y 2b , existen dos regiones que se diferencian por un cambio de signo en la pendiente, que refleja sendos comportamientos de aumento y disminución del cambio en frecuencia a medida que la punta se aproxima a la muestra. El problema se origina por la necesidad de indicarle al sistema de realimentación un convenio para modificar la variable manipulada. Por ejemplo este convenio puede ser el siguiente "un aumento en la variable controlada se corrige con un aumento de la variable manipulada". De esta manera, el sistema de realimentación funcionará correctamente en la región de la curva donde este comportamiento se verifica, pero perderá el control si por alguna razón se sitúa en la otra región. Debido a perturbaciones (ruido mecánico, ruido eléctrico, etc.) es muy común que se penetre el dominio que no cumple la condición de control, desestabilizando el microscopio. El problema anterior no quiere decir que el microscopio sólo tenga acceso en el dominio que no cumple ese convenio sin más que multiplicar por -1 la señal de la variable controlada, teniendo en cuenta que en este caso el otro dominio quedará fuera del control del lazo de realimentación, sino que antes de ponerlo en operación se debe decir en qué dominio de la interacción (atractivo o repulsivo) se desea trabajar. Dado un convenio para nuestro sistema de realimentación, podremos trabajar utilizando el dominio repulsivo. En medios líquidos, a diferencia de en vacío o aire, la interacción atractiva es muy pequeña o prácticamente despreciable, como consecuencia del apantallamiento de las fuerzas de van der Waals que se produce al estar la micropalanca totalmente rodeada de las moléculas del medio líquido. Sin embargo, el apantallamiento de las fuerzas de van der Waals en líquidos no significa que en estas condiciones no puedan aparecer interacciones de largo alcance. De manera bastante común, cuando una superficie se encuentra inmersa en un líquido, a menudo se encuentra cargada debido a la presencia de grupos funcionales ionizados en la superficie, y/o a la adsorción de iones presentes en la solución líquida. Como consecuencia, esta carga presente en la superficie atrae eléctricamente contra-iones de la solución, dando lugar a la formación de una estructura de doble capa eléctrica. La punta de la micropalanca en líquidos también puede aparecer rodeada de una doble capa eléctrica. La interacción de ambas estructuras de doble capa, a medida que la distancia punta-muestra disminuye, resulta entonces en una fuerza eléctrica local que puede complicar enormemente la interpretación.

Por otro lado la importante disminución del rango atractivo en líquidos no es siempre cierta, pues en multitud de ocasiones aparecen interacciones atractivas entre punta y muestra como consecuencia de la captura de material indeseado por la punta, procedente de la propia muestra o del medio líquido. Así, se puede producir la desestabilización del lazo de realimentación que controla la distancia punta-muestra. OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención consiste en un nuevo modo de operación, más sencillo y fácil de automatizar, el cual elimina los problemas anteriormente expuestos, y es capaz de trabajar en todos los ambientes de manera estable y robusta. Asimismo, la invención permite obtener con gran facilidad datos sobre las propiedades magnéticas y eléctricas de los sistemas en estudio. Para ello, propone un procedimiento de control de al menos dos lazos para un microscopio de barrido provisto de una micropalanca y un actuador adaptado para excitar la micropalanca, donde un primer lazo mantiene como variable controlada la amplitud de oscilación de la micropalanca y como variable manipulada la amplitud de la señal eléctrica introducida en el actuador y un segundo lazo usa como variable controlada amplitud de la señal eléctrica anterior y como variable manipulada la distancia punta- muestra. La amplitud se encuentra comprendida preferentemente en el rango de

0.01 nm hasta 1000 nm. Opcionalmente se proporciona un tercer lazo de control que tiene como variable manipulada la frecuencia de excitación y como variable controlada la fase del movimiento de la palanca. Otro cuarto lazo de control opcional tendría como variable controlada la amplitud del movimiento de la micropalanca y como variable manipulada el potencial de la componente continua cuando se le aplica un potencial eléctrico.

El problema de la pérdida de control utilizando FM se resuelve utilizando la técnica propuesta, ya que la amplitud de la señal de excitación no presenta esos problemas de cambio de pendiente.

El procedimiento de control propuesto se puede utilizar tanto en sondas de tipo voladizo como en las de tipo diapasón.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña la siguiente descripción de un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo se ha representado lo siguiente: Figura 1 .- es la curva canónica de interacción punta-muestra cuando se trabaja en aire o vacío.

Figuras 2a y 2b.- son dos gráficas que ilustran el cambio de pendiente en la curva anterior en las distintas regiones de trabajo (dominio atractivo o repulsivo).

Figura 3.- es una representación esquemática de la invención.

Figura 4a.- es una representación de la dependencia de distintas variables de control con la distancia punta-muestra cuando se usa el procedimiento de la invención.

Figura 4b.- es una representación de la dependencia de la amplitud con la distancia punta-muestra cuando se usa un procedimiento según la técnica anterior.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

El procedimiento de control de la presente invención emplea dos lazos de realimentación. El primer lazo se encarga de mantener constante en todo momento la amplitud de oscilación de la micropalanca (que se encuentra comprendida en el rango de 0.01 nm hasta 1000 nm) y utiliza para ello como variable manipulada la amplitud de la señal eléctrica introducida en el actuador piezoeléctrico que excita la micropalanca. El segundo lazo tiene como variable controlada la variable manipulada del anterior, es decir, la amplitud de la señal de excitación. Como variable manipulada, el segundo lazo utiliza la distancia punta-muestra. De esta manera la salida de este segundo lazo reproduce la topografía de la muestra en estudio (figura 3). En una puesta en práctica particular, se incorpora un tercer lazo de realimentación

(lazo 3), que permite aumentar la mejora en la calidad de imágenes cuando las muestras presentan interacciones eléctricas y/o magnéticas. Este sistema de realimentación es un lazo cerrado en fase (PLL), el cual se encarga de variar la frecuencia de excitación de la micropalanca, para que ésta oscile siempre a la frecuencia de resonancia (la frecuencia de resonancia de la micropalanca cambia debido a la interacción punta-muestra). Como variable controlada, el lazo 3 recoge el desfase entre la señal de excitación de la micropalanca y el propio movimiento de la misma (figura 2). La variable manipulada de este lazo nos da una medida de las interacciones eléctricas y/o magnéticas presentes en la muestra, es decir, nos permite realizar junto con la adquisición de imágenes, tanto microscopía de fuerza eléctrica (EFM) como la de fuerza magnética (MFM).

En el caso de que las muestras presente ambos tipos de interacciones (eléctricas y magnéticas), se puede incorporar también de manera fácil y estable un cuarto lazo de realimentación que permite hacer simultáneamente microscopía de sonda kelvin (KPFM) junto con MFM e imagen. Para hacer funcionar este cuarto lazo como microscopio de sonda kelvin, es necesario aplicar un potencial eléctrico a la micropalanca. Este potencial posee dos componentes, una alterna a una frecuencia determinada (sea ésta f) y una componente continua (frecuencia nula). En consencuencia aparecerá una fuerza eléctrica entre la micropalanca y la muestra. El cuarto lazo de realimentación se encarga de minimizar dicha fuerza eléctrica encontrando el potencial eléctrico en la superficie de la muestra. El cuarto lazo por tanto tiene como variable de entrada la amplitud del movimiento de la micropalanca con frecuencia f y como variable manipulada el potencial de la componente continua aplicada a la micropalanca. Este lazo varía el potencial de la componente continua hasta anular la amplitud del movimiento de la micropalanca con frecuencia f. De esta manera, la variable manipulada de este lazo determina de manera directa las interacciones eléctricas entre la micropalanca y la muestra, el lazo 3 proporciona datos sobre la interacción magnética, y el resto de lazos nos suministran la información topográfica de la muestra.

Las aplicaciones de la invención están encaminadas al control preciso, sencillo y estable de un microscopio de fuerzas atómicas en todos los ambientes de trabajo: vacío, atmósfera ambiente y líquidos. Asimismo, este nuevo de modo de funcionamiento se puede combinar con otras técnicas ya existentes, para medir con ventaja interacciones de largo alcance, como son las eléctricas y magnéticas.

Dos ejemplos relevantes de uso de este procedimiento son los siguientes:

1 . medida de muestras de relevancia tecnológica en vacío: Las muestras que habitualmente se miden en vacío son cristales muy planos y limpios a nivel atómico. Estas muestras si bien son muy interesantes desde el punto de vista de la física fundamental, no presentan aplicaciones tecnológicas relevantes. Por el contrario, las muestras de interés tecnológico suelen tener un grado menor de limpieza y una corrugación mucho más elevada. Estos dos hechos dificultan enormemente la adquisición de imágenes estables usando los modos de AFM existentes. La invención remedia estos problemas y produce imágenes con gran resolución y estabilidad en una gran variedad de muestras de interés tanto fundamental como tecnológico. En particular se ha aplicado la invención a la medida de superficies conteniendo nanotubos de carbono con contactos nanolitográficos. El proceso de nanolitografía involucra la adsorción de polímeros que son usados como máscaras. Como consecuencia la superficie no posee el nivel de limpieza característico de un monocristal, el uso de las técnicas convencionales de AFM presenta gran dificultad. La invención resuelve este problema.

2. Medidas de muestras biológicas en medios líquidos. La biología se considera en muchos casos como la última frontera del AFM. Uno de los retos del AFM consiste en conseguir visualizar muestras biológicas en condiciones fisiológicas de manera no invasiva, para lo que habitualmente se requiere medir en medios líquidos. Si bien hay varios modos de operación que se utilizan habitualmente en líquidos, todos han mostrado problemas ya sean de sensibilidad, resolución o estabilidad. La invención resuelve también estos problemas y permite obtener imágenes de material biológico en condiciones fisiológicas con gran precisión y de manera no invasiva. En particular la invención se puede utilizar para obtener imágenes de virus en buffer fisiológico, allí donde los demás métodos presentan importantes limitaciones. Los lazos de realimentación dispuestos producen una gran reducción de los transitorios que se requieren para controlar la amplitud de oscilación. Este hecho es sobre todo fundamental para trabajar en condiciones de vacío. Además, la variable de entrada del lazo 2 es muy robusta frente a las inestabilidades típicas en este tipo de microscopios (vibraciones mecánicas del lugar de trabajo, ruido electromagnético, impurezas en los líquidos de trabajo, etc.), lo que permite adquirir imágenes de manera repetible y reproducible. Estas mejoras se traducen además en un aumento en la velocidad de adquisición de imágenes con respecto a los métodos convencionales. Las magnitudes utilizadas en los lazos de realimentación son muy sensibles a la interacción punta-muestra. Este hecho permite al microscopio que incorpora la invención trabajar con fuerzas aplicadas muy pequeñas, del orden de 40 pN (aproximadamente la mitad de las fuerzas que mantienen unidas las subunidades que integran una proteína), y por lo tanto de manera no invasiva. Se han realizado experimentos con micropalancas con constante elástica de 0.6 N/m, 2 N/m y 40 N/m, obteniéndose imágenes de gran calidad en medio líquido del los virus Phi 29 y el virus MVM (el más pequeño que se conoce). La posibilidad de esta nueva técnica de utilizar cualquier micropalanca se traduce también en un aumento muy significativo de la resolución para medir fuerzas, hecho fundamental a la hora de determinar las propiedades mecánicas de las muestras en estudio.

Destacable es la facilidad de la nueva herramienta para obtener imágenes con verdadera resolución atómica cuando se trabaja en medio líquido. Mediante las figuras 4a y 4b se puede comparar la dependencia con la distancia punta- muestra de la amplitud. La figura 4b muestra esta dependencia durante la toma de datos con un procedimiento según el estado de la técnica. La figura 4a muestra la dependencia de la amplitud de excitación con la distancia punta-muestra cuando se pone en práctica el procedimiento de la invención. Como puede apreciarse, la variación de la variable controlada con respecto a la variación en distancia (pendiente de la curva), es mayor en el caso de utilizar el procedimiento de la invención, lo que aumenta la sensibilidad desde un punto de vista del control. Conviene tener en cuenta, que las unidades de la variable controlada en la nueva invención son diferentes de las unidadades de la variable controlada en los procedimientos ya establecidos, ya que dichas variables corresponden a magnitudes físicamente distintas, lo que dificulta una comparación más directa. La dependencia con la distancia de las magnitudes representadas es mucho mayor en el caso de utilizar el procedimiento objeto de la invención (figura 4a), lo que se traduce en una mayor sensibilidad. Nótese la diferencia de escalas en el eje X cuando trabajamos en el nuevo modo respecto al modo de modulación de amplitud. Es importante notar también que el origen del eje X de las figuras 4a y 4b ha sido elegido de manera arbitraria, pues su posición no es relevante para la evaluación de las magnitudes.

Claims

REIVINDICACIONES

1 . - Procedimiento de control con al menos dos lazos de control para un microscopio de barrido provisto de una micropalanca y un actuador adaptado para excitar la micropalanca, caracterizado porque un primer lazo mantiene como variable controlada la amplitud de oscilación de la micropalanca y como variable manipulada la amplitud de la señal eléctrica introducida en el actuador y un segundo lazo usa como variable controlada amplitud de la señal eléctrica anterior y como variable manipulada la distancia punta-muestra.

2. -Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque la amplitud se encuentra comprendida en el rango de 0.01 nm hasta 1000 nm.

3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque se proporciona un tercer lazo de control donde la frecuencia de excitación es la variable manipulada y la variable controlada es la fase del movimiento.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque se aplica a la micropalanca un potencial eléctrico con dos componentes, una alterna a una frecuencia determinada y una continua y se proporciona un cuarto lazo de control, cuya variable controlada es la amplitud del movimiento de la micropalanca a la frecuencia dada y como variable manipulada el potencial de la componente continua.