Design and implementation of an AFM head with tapping mode laser signal demodulation

Abstract

Das Rasterkraftmikroskop (AFM) ist ein Instrument welches in einem weiten Spektrum an Anwendungsfällen, sei es für wissenschaftliche oder industrielle Anforderungen, zum Einsatz kommt. Eine dünne Spitze (tip), welche aus einem Kragarm (cantilever) hervorsteht, wird benutzt um die Oberfläche von Proben abzufahren während die darauf resultierende Kraft gemessen wird. Die daraus ableitbaren Messungen können eine horizontale Auflösung im Nanometerbereich aufweisen, um damit Probeneigenschaften zu messen und zu beeinflussen. Die zunehmenden Abtastfrequenzen von AFM für Topografiemessungen, begünstigt durch die höhere Verfügbarkeit von Kragarmen mit höheren Resonanzfrequenzen, bürdet der Demodulation des Ausgangssignals von dymanischen Messmethoden, wie der des Tippmodus (tapping mode), zusätzliche Gewichtung auf. Hierfür wird in den meisten Fällen ein Trägerfrequenzverstärker (lock-in amplifier) verwendet, welcher sowohl digital als auch analog realisiert werden kann. Die meisten kommerziell verfügbaren AFM basieren auf einer optischen Auslesung der Kragarmauslenkung (cantilever deflection). Ein Transimpedanzverstärker zur Konvertierung des Ausgangsstromes einer Photodiodenmatrix bedingt durch einen reflektierten Laserstrahl in eine Spannung wird herangezogen, um diese der Demodulation zuzuführen. Bedingt durch deren limitierte Bandbreite, hohen Komplexitizätsgrad und die zusätzlichen Rauschquellen, ist die Erforschung von Alternativen zu Trägerfrequenzverstärkern ein aktives Feld der Forschung. Die direkte Demodulation eines Tippmoduslasersignals mittels eines Verstärkers mit variablen Transimpedanzwiderstand (variable gain amplifier) ist der Kern dieser Arbeit, welche sich dem Entwurf und Evaluation dieser neuartigen Kragarmauslenkungsmessung für einen AFM Kopf widmet. Diese Methode erreicht eine hohe Abstastfrequenz, hält das Messrauschen niedrig und vermeidet den Einsatz eines Trägerfrequenzverstärkers. Eine vollständige Analyse des Messpfades mit einer Neuentwicklung von relevanten Teilen wird durchgeführt und der resultierende neuartig konzipierte Aufbau wird vollständig evaluiert und spezifiziert. Messungen an biologischen Proben und Referenzstrukturen werden durchgeführt, um das final implementierte Design einer echten Anwendung auszusetzen und eine Vergleichbarkeit mit anderen Lösungsansätzen zu ermöglichen.

The Atomic Force Microscope (AFM) is an instrument with a wide variety of applications, both in scientific as well as industrial contexts. A sharp tip mounted on a small cantilever is used to sample surfaces of many different materials while measuring the resulting forces onto it. The resulting measurements can image physical structures within the nanometer range to investigate and manipulate sample properties. Due to the increasing sampling frequency of AFM topography measurements caused by the availability of high resonance frequency cantilevers, an increasing burden lays on the demodulation of the resulting output signal from dynamic measurement methods such as the tapping mode. Most commercially available AFM setups use an optical-based cantilever deflection readout, in which case the transimpedance amplifier converts the output current from a reflected laser beam shone onto a photodiode array into a voltage for demodulation. An external lock-in amplifier is most commonly used for this task, for which there are implementations both in the analog as well as the digital realm. Due to the limited bandwidth, high complexity and additional noise sources, finding alternatives is an active field of research. By directly demodulating a tapping mode laser signal within a variable gain amplifier, this works goal is to design and evaluate a novel approach for an AFM head cantilever deflection readout. This achieves a high scanning bandwidth while keeping external noise sources small and avoids usage of an external lock-in amplifier. A full analysis of the measurement path including a redesign of relevant parts is conducted and the newly conceived setup is fully evaluated and specified. Measurements on biological and other samples are undertaken to put the final implementation into a real world application and ensure comparability with other designs.