A robust repetitive controller for fast AFM imaging

Abstract

Günümüzde Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) bir çok avantajından dolayı en çok tercih edilen Taramalı Uç Mikroskobu yöntemlerinden biridir. Ancak tarama hızını arttırmak ve tarama ucuyla örnek yüzeyi arasındaki etkileşim kuvvetlerini azaltmak hala AKM yönteminin iki önemli problemidir. Bu problemleri çözmek için bir AKM taraması sırasında yapılan yanal hareketlerin tekrarlı bir hareket olmasından faydalanarak piezo tarayıcının z-ekseni hareketleri için bir Tekrarlı Kontrolcü (TK) tasarladık. Bir satırın taranması sırasında, TK bir önceki satır profilinden yararlanarak daha yüksek performansta bir tarama gerçekleştirmektedir. AKM düzeneğimizde gerçekleştirilen tarama deneyleri sonucunda önerilen TK'nın aynı deney için geleneksel olarak kullanılan PI kontrolcüye nazaran çok daha başarılı olduğu gözlemlenmiştir. Tarama hızı 7 katına çıkarıldığında tarama hatası %66, etkileşim kuvvetleri ise %58 oranında azaltılmıştır.

Currently, Atomic Force Microscopy (AFM) is the most preferred Scanning Probe Microscopy (SPM) method due to its numerous advantages. However, increasing the scanning speed and reducing the interaction forces between the probe?s tip and the sample surface are still the two main challenges in AFM. To meet these challenges, we take advantage of the fact that the lateral movements performed during an AFM scan is a repetitive motion and propose a Repetitive Controller (RC) for the z-axis movements of the piezo-scanner. The RC utilizes the profile of the previous scan line while scanning the current line to achieve a better scan performance. The results of the scanning experiments performed with our AFM set-up show that the proposed RC significantly outperforms a conventional PI controller that is typically used for the same task. The scan error and the average tapping forces are reduced by 66% and 58%, respectively when the scan speed is increased by 7-fold.