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Multi-mode resonant control of a microcantilever for atomic force microscopy
When operating the Atomic Force Microscope in tapping mode it is possible to decrease the quality factor of the microcantilever to enhance scan speed. A new field of Atomic Force Microscopy is evolving, which makes use of multiple frequency excitation and detection of the cantilever modes making it necessary to be able to control these modes and their response to excitation. This work proposes a multi-mode Q control approach utilizing positive position feedback, offering full control over the first two flexural modes of the cantilever. By completely damping the first mode and adjusting the quality factor of the second mode, it is possible to scan and obtain images at the second resonance frequency which improves image quality at high scan speeds due to the increased bandwidth of the z-axis feedback loop
Multi-Eigenmode Control for Improved Tracking Speed in Multifrequency Atomic Force Microscopy
Die Sensoren von Rasterkraftmikroskopen sind mechanische Schwinger, die zur
zeitgleichen Aufnahmevon Topographie und Materialeigenschaften genutzt
werden können. Besonders wichtig sinddie Bildrastergeschwindigkeit und
Kraftsensitivität, die oft einen Kompromiss benötigen. In dieserArbeit wird
ein neuartiger Multi-Eigenmode Kompensator basierend auf einem
Zustandsschätzervorgestellt, der die dynamischen Eigenschaften jeder
Cantilever-Resonanz unabhängig voneinandermodifizieren kann. Dargelegt wird
die Modellierung, Kompensator-Design und Implementierungsstrategiein ein
digitales System. Als Erstes wird der Kompensator zur Modifikation desQ
Faktors einzelner Eigenmoden genutzt. Somit kann die Abbildungsrate um das
20-fache erhöhtwerden. Die Modifikation der natürlichen Frequenz erlaubt
die Abbildung von Proben mitvollständig verschobenen Resonanzen. Moderne
Mehrfachfrequenz-Abbildungsverfahren nutzenhöheren Eigenmoden, um bessere
Abbildungsraten und Materialsensitivitäten zu erreichen. Beieiner Methode
werden die angeregten höheren Harmonischen extrahiert, die beim Rastern
einerOberfläche im Fourier-Spektrum entstehen. Eine andere Methode regt die
erste und höhere Eigenmodengleichzeitig an. In Experimenten wird der
Kompensator in Kombination mit beiden Abbildungsverfahrengenutzt, um
speziell den Q Faktor der ersten beiden transversalen Eigenmoden
gleichzeitigzu beeinflussen. Experimente zeigen, dass beste Abbildungsraten
und Materialkontrastemit geringen Q Faktoren in der ersten und hohen Q
Faktoren in der zweiten Eigenmode erreichtwerden. Eine Erweiterung des
Kompensators erlaubt die Hochgeschwindigkeits-Demodulationvon
Cantilever-Amplituden ohne Einsatz eines Lock-in Verstärkers, was anhand
von Abbildungenmit der ersten Eigenmode gezeigt wird. Eine weitere
Möglichkeit zur Verbesserung des Materialkontrastesbasiert auf der
strukturellen Modifikation des Cantilevers. Mit Hilfe einer
Ionenfeinstrahlanlagewird Material an bestimmten Bereichen des Cantilevers
entfernt, so dass die erste undhöheren Eigenmoden aufeinander abgestimmt
werden. Die Bestimmung von Form und Ort derMaterialentfernung wird entweder
durch Simulationen im Voraus oder mit einem in situ Ansatzerreicht. Die
extrahierten höheren harmonischen Signale des harmonischen Cantilevers
zeigen eindeutlich verstärktes Signal von bis zu 10 % im Vergleich zur
ersten Resonanz.Atomic Force Microscope probes are mechanical beams that can be used to
simultaneously maptopography and material properties. In particular the
imaging speed and force sensitivity aremajor concerns that often require a
trade-off approach. In this work, a novel estimator basedmulti-eigenmode
compensator is introduced to modify the dynamics of each resonance
independently.Modeling, compensator design, implementation strategy in a
digital system and validationin experiments will be presented. A
single-eigenmode version of the compensator is used to modifythe Q factor
of the first three eigenmodes separately. Using higher eigenmodes in
combinationwith a modified Q factor leads to a 20-fold increase in image
acquisition rates. The modificationof the natural frequency (F control)
allows imaging at resonance frequencies that are not naturalto the
cantilever. The emerging multifrequency Atomic Force Microscopy utilizes
higher eigenmodesto improve imaging speed and force sensitivity
concurrently. One method actuates the firsteigenmode for topography imaging
and records the excited higher harmonics to map a sample’snanomechanical
properties. To enhance the higher frequencies’ response two or more
eigenmodesare actuated simultaneously, where the higher eigenmodes are used
to quantify the nanomechanics.In experiments, the compensator is used to
specifically modify the Q factors of the cantilever’sfirst two transversal
eigenmodes concurrently in both imaging schemes. The experiments
indicatemost enhanced material contrast and imaging rate with low Q factors
in the first eigenmode andhigh Q factors in the higher eigenmode. An
extension of the compensator allows for a high speedLock-in amplifier free
amplitude demodulation, which is used for topography imaging with the
firstresonance. A different technique for improving material property
sensitivity is presented basedon structural modifications of the
cantilever. Focused Ion Beam milling is used to remove massfrom specific
areas in the cantilever such that the first and higher eigenmodes are tuned
towardseach other. The shape and location of mass removal is determined
either by simulation beforehandor through an in-situ approach. Higher
harmonics of the harmonic active cantilevers indicate asignificant response
of up to 10% in respect to the first resonance/harmonic