Come funziona un AFM?

Il principio di funzionamento dell'AFM si basa su un oggetto cantilever/punta che interagisce con il campione; questo oggetto è anche comunemente chiamato sonda. La sonda AFM interagisce con il campione attraverso un movimento di scansione linea per linea. Il movimento su/giù e da un lato all'altro della punta AFM durante la scansione sulla superficie è monitorato attraverso un raggio laser riflesso dal cantilever. Questo raggio laser riflesso è acquisito da un fotorivelatore sensibile alla posizione (PSPD) che raccoglie il movimento verticale e laterale della sonda. La sensibilità alla deflessione di questi fotorivelatori deve essere calibrata in termini di quanti nanometri di movimento corrispondono a un'unità di tensione misurata sul fotorilevatore.

Per ottenere le modalità AFM conosciuta come modalità tapping, la sonda è montata su un supporto dotato di un shaker-piezo. Lo shaker-piezo mette in oscillazione la sonda in un'ampia gamma di frequenze (tipicamente da 100 Hz a 2 MHz). Le modalità di funzionamento tapping possono essere divise in modalità in risonanza (dove il funzionamento è alla frequenza di risonanza del cantilever o vicino ad essa) e in modalità fuori risonanza (dove il funzionamento è ad una frequenza solitamente molto inferiore alla frequenza di risonanza del cantilever).

Il seguente schema illustra il principio di funzionamento dell’AFM:

Un altro principio importante per capire il funzionamento dell'AFM è quello del feedback. Nei microscopi a forza atomica, a seconda delle diverse modalità, c'è un parametro che funge da setpoint, cioè il parametro che vogliamo mantenere costante durante la scansione. Per esempio, in modalità statica (modalità di contatto) il parametro di feedback è la deflessione del cantilever, mentre nella forma più comune di modalità tapping, l'ampiezza dell'oscillazione del cantilever è il parametro di feedback. Lo strumento cerca di mantenere questo parametro di feedback costante al suo valore di riferimento regolando il piezo Z per spostare la sonda su e giù opportunamente. I movimenti del piezo Z risultanti forniscono le informazioni sull'altezza utilizzata per ricostruire la topografia della superficie.

Il controllo dell'anello di retroazione avviene attraverso il controllo proporzionale-integrale-derivativo, spesso indicato come i guadagni PID. Questi diversi guadagni si riferiscono alle differenze nel modo in cui l'anello di retroazione si regola alle deviazioni dal valore di riferimento, il segnale errore. Per il funzionamento AFM, il guadagno integrale è più importante e può avere un effetto fondamentale sulla qualità dell'immagine. Il guadagno proporzionale può fornire un leggero miglioramento dopo l'ottimizzazione del guadagno integrale. Il guadagno derivativo è utile principalmente per campioni con bordi alti. Se i guadagni sono impostati troppo bassi, il controllo PID non sarà in grado di mantenere il setpoint con precisione. Se i guadagni sono scelti troppo alti, il risultato sarà un rumore elettrico nell'immagine dovuto all'interferenza del feedback.

Gli altri parametri importanti nel feedback sono la velocità di scansione e il setpoint. Se la velocità di scansione è troppo alta, il controllo PID non avrà tempo sufficiente per regolare il parametro di feedback al suo valore di riferimento e l'altezza calcolata dal movimento z del piezo si discosterà dalla vera topografia sulle pendenze e vicino ai bordi. Velocità di scansione molto lente non sono in genere un problema per il controllo PID, ma comportano lunghi tempi di acquisizione che possono essere affetti da altri problemi, come la deriva termica. L'ottimizzazione dei guadagni PID e della velocità di scansione sono necessari per ottimizzare l’anello di retroazione. Il setpoint controlla la forza di interazione o gli impulsi tra la sonda e il campione. Un setpoint vicino al valore del parametro fuori feedback (deflessione nulla o ampiezza di oscillazione libera) è più delicato per il campione, ma tende a rallentare il feedback.

Scopri la nostra gamma di AFM >>