Alle ins en outs over atomic force microscopy!

Topografie en oppervlakteruwheidsmetingen Atomic force microscopy is een van de populairste technieken voor metrologie metingen zoals oppervlakteruwheid wegens haar vermogen om kwantitatief de x-, y- en z-richting te meten met resolutie op nanoschaal.

Drie dimensionaal

Atomic force microscopy is een van de weinige instrumenten die alle 3 dimensies van een oppervlak kwantitatief kan meten: lateraal (x en y) en in hoogte (z). In tegenstelling tot andere microscopische karakteriseringsmethoden met hoge resolutie die berusten op interacties van elektronen met een materiaal, is er bij AFM een mechanisch contact tussen een tip en een monster, waardoor een nauwkeurige meting van de topografie en oppervlakte textuur van het monster mogelijk is. Met een resolutie van 5-10 nm lateraal en sub-nanometer verticaal is AFM een krachtig meetinstrument voor kwantitatieve metingen van een oppervlak. Deze krachtige kwantitatieve meting gaat gepaard met flexibiliteit in het monsteroppervlak: er zijn geen eisen aan een monster om door AFM te kunnen worden gemeten, behalve dat het in het instrument past. Kwantitatieve metingen van topografie maken belangrijke metrologische metingen mogelijk, zoals ruwheidsprofiel, het vinden van onregelmatigheden op het oppervlak, maar ook meer geavanceerde metingen zoals gedraaide afwijkingen en afplatting of welving.

Er zijn verschillende modi beschikbaar in atomic force microscopy om oppervlakteruwheidsmetingen uit te voeren, die verschillen per contacttype. De eenvoudigste modus is de contactmodus, waarbij de tip over het oppervlak wordt “gesleept” bij een constante overstek afbuiging. De gebruiker bepaalt de belasting waarmee de tip over het oppervlak wordt “gesleept”, zodat voor stijve, robuuste materialen een zwaardere belasting en voor zachtere materialen een lichtere belasting kan worden geselecteerd. Een terugkoppel lus op de z-piëzo in het instrument houdt vervolgens de doorbuiging van de overstek constant over het gehele beeld. De topografische informatie wordt verstrekt via de z-piëzobeweging. Een zachtere modus met atomic force microscopy om oppervlakteruwheid te meten is de tapping-modus. Dit is een dynamische modus waarbij de tip op een resonantiefrequentie wordt geveerd, en de tip nu zachtjes met het oppervlak in wisselwerking treedt bij een constante amplitude van oscillatie. De gebruiker bepaalt de oscillatie-amplitude waarmee de punt het oppervlak raakt, zodat een grotere amplitude kan worden gekozen voor stijve, robuuste materialen en een kleinere amplitude voor zachtere materialen. Een terugkoppel lus op de z-piëzo in het instrument houdt vervolgens de oscillatie-amplitude van de overstek constant gedurende het gehele beeld. De topografische informatie wordt verstrekt via deze z-piëzobeweging.

Parameters

Er bestaan verschillende parameters om de ruwheid van een oppervlak te kwantificeren. De ruwheidswaarde kan worden berekend met een dwarsdoorsnede (lijn) of een oppervlakte. De meest gebruikelijke ruwheidsparameters berusten op de berekening van de verticale afwijking van een gemiddelde lijn of een gemiddeld vlak. Om deze reden kunnen alleen instrumenten die een kwantitatieve meting van z geven gegevens opleveren die op ruwheid kunnen worden geanalyseerd.

Afbeeldingen die een “indruk” geven van drie dimensies, maar waarbij de derde dimensie niet in de hoogte wordt gekwantificeerd, kunnen niet worden geanalyseerd voor een kwantitatieve ruwheid.