Полуконтактный режим атомно-силового микроскопа при малой жесткости консоли зонда

Методами  математического  моделирования  исследовано  полуконтактное  взаимодействие  зонда атомно-силового микроскопа (АСМ) малой (0,1 Н/м) жесткости его консоли с образцами материалов с модулем Юнга 0,01; 0,1; 1; 10 ГПа при варьировании постоянной Гамакера образца, характеризующей его поверхностную энергию, а также амплитуды колебаний пьезоэлемента и добротности зонда. Для описания контакта зонда и образца использовалась модель Джонсона–Кенделла–Робертса. Внеконтактное взаимодействие учтено с помощью потенциала Леннард–Джонса. Установлено, что при меньших значениях постоянной Гамакера, больших добротности АСМзонда и амплитуды колебаний пьезогенератора наступают условия перехода от нежелательного для получения АСМизображений смешанного режима взаимодействия зонда и образца к чисто упругому режиму. Однако для материалов с модулем Юнга 1 и 10 ГПа возникают скачкообразные изменения характеристик зонда, связанные не с влиянием поверхностной адгезии образца, а с поздним наступлением стационарного режима колебаний зонда. Во избежание неустойчивых колебаний зонда в полуконтактном режиме работы АСМ предложено использование более жестких зондов с целью получения высококачественных АСМ-изображений поверхностей материалов с модулем Юнга 1 ГПа и выше. 

1. Songen H., Bechstein R., Kuhnle A. Quantitative atomic force microscopy. Journal of Physics: Condensed Matter, 2017, vol. 29, no. 27, pp. 274001-1–17. https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa6f8b

2. Garcia R., San Paulo A. Attractive and repulsive tip-sample interaction regimes in tapping-mode atomic force microscopy. Physical Review B, 1999, vol. 60, no. 7, pp. 4961–4967. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.60.4961

3. Stark M., Stark R. W., Heckl W. M., Guckenberger R. Inverting dynamic force microscopy: From signals to time-resolved interaction forces. The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 2002, vol. 99, no. 13, pp. 8473–8478. https://doi.org/10.1073/pnas.122040599

4. Lee S. I., Howell S. W., Raman A., Reifenberger R. Nonlinear dynamics of microcantilevers in tapping mode atomic force microscopy: A comparison between theory and experiment. Physical Review B, 2002, vol. 66, pp. 115409-1–10. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.66.115409

5. Lee S. I., Howell S. W., Raman A., Reifenberger R. Nonlinear dynamic perspectives on dynamic force microscopy. Ultramicroscopy, 2003, vol. 97, no. 1/4, 25 p. https://doi.org/10.1016/s0304-3991(03)00043-3

6. Hu Sh., Raman A. Analytical formulas and scaling laws for peak interaction forces in dynamic atomic force microscopy. Applied Physics Letters, 2007, vol. 91, pp. 123106-1–3. https://doi.org/10.1063/1.2783226

7. Kiracofe D., Melcher J., Raman A. Gaining insight into the physics of dynamic atomic force microscopy in complex environments using the VEDA simulator. Review of Scientific Instruments, 2012, vol. 83, no. 1, pp. 013702-1–17. https://doi.org/10.1063/1.3669638

8. Guzman H. V., Garcia P. D., Garcia R. Dynamic force microscopy simulator (dForce): A tool for planning and understanding tapping and bimodal AFM experiments. Beilstein Journal of Nanotechnology, 2015, vol. 6, pp. 369–379. https://doi.org/10.3762/bjnano.6.36

9. Wagner T. Steady-state and transient behavior in dynamic atomic force microscopy. Journal of Applied Physics, 2019, vol. 125, no. 4, pp. 044301-1–13. https://doi.org/10.1063/1.5078954

10. Bahrami M. R. Dynamic analysis of atomic force microscope in tapping mode. Vibroengineering Procedia, 2020, vol. 32, 7 p. https://doi.org/10.21595/vp.2020.21488

11. Chandrashekar A., Belardinelli P., Lenci S., Staufer U., Alijani F. Mode coupling in dynamic atomic force microscopy. Physical Rewiew Applied, 2021, vol. 15, no. 2, pp. 024013-1–11. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.024013

12. Melcher J., Hu Sh., Raman A. Invited Article: VEDA: A web-based virtual environment for dynamic atomic force microscopy. Rewiew of Scientific Instruments, 2008, vol. 79, no. 6, pp. 061301-1–11. https://doi.org/10.1063/1.2938864

13. Thorén P.-A., Borgani R., Forchheimer D., Dobryden I., Claesson P. M., Kassa H. G., Leclère Ph. [et al.]. Modeling and measuring viscoelasticity with dynamic atomic force microscopy. Physical Rewiew Applied, 2018, vol. 10, no. 2, pp. 024017-1–13. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.10.024017

14. Keyvani A., Tamer M. S., Wingerden J.-W. van, Goosen J. F. L., Keulen F. van. A comprehensive model for transient behavior of tapping mode atomic force microscope. Nonlinear Dynamics, 2019, vol. 97, pp. 1601–1617. https://doi.org/10.1007/s11071-019-05079-2

15. Farokh Payam A., Morelli A., Lemoine P. Multiparametric analytical quantification of materials at nanoscale in tapping force microscopy. Applied Surface Science, 2021, vol. 536, pp. 147698-1–15. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.147698

16. Johnson K. L. Contact Mechanics. Cambridge University Press, 1987. 452 p.

17. Abetkovskaia S. О., Chizhik S. А. Dynamic force spectroscopy of «soft» materials. Teplo- i massoperenos – 2007: sbornik nauchnykh trudov [Heat and Mass Transfer – 2007: Scientific Papers]. Minsk, A. V. Luikov Institute of Heat and Mass Transfer of the National Academy of Sciences of Belarus, 2007, pp. 323–330 (in Russian).

18. Garcia R., Gómez C. J., Martinez N. F., Patil S., Dietz C., Magerle R. Identification of nanoscale dissipation processes by dynamic atomic force microscopy. Physical Rewiew Letters, 2006, vol. 97, no. 1, pp. 016103-1–4. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.016103