Adaptive q-control for tapping-mode nano scanning using a piezo-actuated bimorph probe

Abstract

Piezo-elektrik tahrikli bir probun titreşimlerinin, Lazer doppler hızölçer ile ölçülmesiprensibine dayanarak çalışan bir Atomik Kuvvet Mikroskobu (AKM) düzeneği geliştirilmişve üzerinde yeni geliştirilen `uyarlanır (Adaptif) Q-kontrolü` adı verilen bir kontrol yöntemiuygulamalı olarak denenmiştir. Standart Q-kontrolü yönteminde, taramada kullanılanprobunun etkin (efektif) Q değeri, tarama öncesinde belirlenmekte ve tarama boyuncasabitlenmektedir. Fakat, Q değerinin seçilmesinde her zaman bir ödünleşim söz konusudur.Standart Q-kontrolünde, probun etkin Q değeri, titreşen iğne ile taranan örnek arasında oluşankuvvetlerin düşük olmasını sağlamak amacıyla yükseltilmekte ya da gerçeklenebilecek enyüksek tarama hızının artması için düşürülmektedir. Standart Q-kontrolu yöntemi kullanılarakbu iki faydanın eşanlı olarak kazanılması mümkün değildir. Önerilen uyarlanır (adaptif) Q-kontrolü yönteminde, probun etkin Q-değeri, standart Q-kontrolü yöntemindeki gibi taramaöncesinde istenen değere sabitlenmekte, fakat tarama sırasında gerekli durumlardadeğiştirilmektedir. Bu çalışmada, uyarlanır (adaptif) Q-kontrolü'nün temel prensipleri veteorisi tanıtılmış, piezo-elektrik tahrikli probun etkin Q değerinin gerçek zamanlı olarakdeğiştirilmesine olanak sağlayan elektronik donanım incelenmiş, ve son olarak 3 değişiktarama metoduna ait deney sonuçları (profiller) karşılaştırılmıştır; a) Q-kontrolsüz tarama b)standard Q-kontrolü ile tarama ve c) adaptiv Q-kontrolü ile tarama. Sonuçlar uyarlanır(adaptiv) Q kontrol yönteminin diğer 2 yöntemden üstün sonuçlar verdiğini göstermiştir.

A new approach, called Adaptive Q-control, for tapping-mode Atomic ForceMicroscopy (AFM) is introduced and implemented on a home-made AFM set-uputilizing a Laser Doppler Vibrometer (LDV) and a piezo-actuated bimorph probe.In the standard Q-control, the effective Q-factor of the scanning probe is set priorto the scanning depending on the application. However, there is a trade-off inchoosing the effective Q-factor of an AFM probe. The Q-factor is either increasedto reduce the tapping forces or decreased to maximize the scan speed.Achieving these two benefits simultaneously using the standard Q-control is notpossible. In adaptive Q-control, the Q-factor of the probe is set to a value initiallyas in standard Q-control, but then modified on the fly during scanning whennecessary. In this paper, we present the basic theory behind the adaptive Q-control, the electronics enabling on-line modification of the effective Q-factor ofthe piezo-actuated probe, and the results of the scanning experiments comparingthree different methods: a) without Q-control, b) with the standard Q-control, andc) with the adaptive Q-control. The results show that the performance of theadaptive Q-control is superior to the other two methods.