Development of an interferometry-based drift-compensated scanning probe microscopy technique to measure surface forces (Molecular Forces Apparatus, MFA)

Abstract

Measurement of forces between molecules and surfaces at solid-liquid and solidgaseous interfaces have been studied for decades, but the precision was often hampered by artifacts stemming from drift within the measurement devices themselves. This work describes the development of an apparatus that compensates for driftin all three spatial axes in a rigorous, method independent way and a white lightinterferometric method to detect absolute distance and bending of an AFM cantilever in reflection geometry.Based on experience with multiple beam white light interferometry in transmissiongeometry, as has often been used in the Surface Forces Apparatus (SFA), themethod of analysis has been improved to allow determination of absolute distancesby employing a new way of analysis using a 4 4 multiple matrix method. This analysis method has further been extended to allow analysis of white light interferometryspectra in reflection geometry and arbitrary layered sample stacks. This allowed the development of SFA in reflection mode, analysis of isotropic and birefringent additional layers, as well as completely new layouts such as the 3-layer-surface-forcessensor.The apparatus was designed and built to measure drift and thermal expansion along five axes (three spatial, two rotational) using IR-laser interferometric sensors and compensate drifts and environmental influences to an unprecedented stability, in the sub-nanometers, for experiments spanning several hours. As example techniques an SFA-type and AFM-type scanning probe microscope has been implemented.The software developed during this work (SFA Explorer) is commercially available,the apparatus design (Molecular Forces Apparatus, MFA) has been filed as apatent.

Die Vermessung von Kräften zwischen Molekülen und Oberflächen an fest-flüssig,sowie fest-gasförmigen Grenzflächen ist bereits Objekt wissenschaftlicher Untersuchungen. Jedoch behindern oftmals Messartefakte wie geräteinhärenter Drift die Aussagekraft und Präzision solcher Messungen.Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Apparatur, die agnostischeiner speziellen Messtechnologie Drift innerhalb der Maschine entlang allerdrei Raumrichtungen kompensiert, sowie eine Methode, weißlichtinterferometrische Absolutdistanzen und Deformationen eines AFM Kantilevers in Reflektionsgeometrie zu bestimmen. Ausgehend von Erfahrungen mit Weißlichtinterferometrie in Transmissionsgeometrie, wie sie oft beim Surface Forces Apparatus eingesetzt wird, konnte eine Analysenmethode entwickelt werden, die die Bestimmunug absoluter Distanzen mit Hilfe eines 4x4-Multimatrixansatzes möglich macht. Diese Analysemethode wurde erweitert auf Messungen in Reflexionsgeometrie, sowie auf Proben aus beliebig vielen Schichten unterschiedlicher Parameter, sowohl optisch isotrop als auch doppelbrechend.Auch wurden so komplett neue Probensysteme, wie sie für die 3-layersurface-forces-sensor Technik benötigt werden, analysierbar.Das Design des Apparats basiert darauf, Drift und thermische Expansion entlangvon bis zu fünf Achsen (drei räumliche und zwei Rotationsachsen) mittels infrarotlaserinterferometrischen Sensoren zu bestimmen und zu kompensieren. Hierdurch konnte eine bisher unerreichte Unabhängigkeit von Drift und Umwelteinflüssen über viele Stunden erreicht werden. Als Beispielsimplementationen wurden SFA-artige und AFM-artige Sondenmikroskopie implementiert.Die hier entwickelte Software (SFA Explorer) wird bereits vermarktet. Das Gerätedesign (Molecular Forces Apparatus, MFA) wurde zum Patent angemeldet.