Instrumentación

 

Sistema de microscopía de fuerza atómica basada en una unidad de lectura óptica digital y un escáner-zumbador

 

Reza Dabirian^a,b, Wei-Min Wang^c,d, David Loza Matovelleª y En-Te Hwu^c,*

 

ª Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica, Universidad de las Fuerzas Armadas-ESPE, Sangolquí, Ecuador.

^b Laboratorio de Nuevos Materiales, Departamento de Materiales, Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador.

^c Institute of Physics, Academia Sínica, Taipei, 11529, Taiwan. * e-mail: whoand@gmail.com

^d Department of Mechanical Engineering, National Taiwan University, Taipei, 10617, Taiwan.

 

Received 10 March 2015.
Accepted 14 April 2015.

 

Resumen

En este artículo se presenta un sistema de detección astigmático (ADS), basada en una unidad de lectura (óptica digital (OPU) del disco compacto (CD/DVD). Este sistema de detección astigmático puede alcanzar una resolución mejor que 0.3 nm en la detección del desplazamiento vertical y se puede detectar la inclinación angular de dos dimensiones de la superficie del objeto. También, se ha presentado un novedoso diseño para un escáner-zumbador. El escáner se compone de una estructura de accionamiento de cuatro-barras y varios zumbadores piezoeléctricos de disco. El escáner-zumbador se puede accionar con voltajes bajos como los de las tarjetas de adquisición de datos (DAQ) y permite un alcance de barrido suficiente de hasta 15 μm. Por lo tanto, el costo de construir un AFM puede reducirse significativamente juntando las dos técnicas. A partir de las dos técnicas anteriores, se construyó un AFM económico de alto rendimiento, utilizando el escáner-zumbador para mover la muestra y un OPU para detectar la resonancia mecánica de un cantiléver microfabricado. Evaluamos el desempeño del AFM. La alta sensibilidad y gran ancho de banda del sistema de detección hace que el equipo sea apropiado para la caracterización de elementos a escala nanométrica. Un AFM usando nuestro sistema de detección para detectar la deflexión del cantilever microfabricado, puede resolver pasos atómicos individuales en superficies de grafito.

Palabras clave: Microscopía de fuerza atómica (AFM); nano-metrología; unidad lectura digital de DVD; escáner-zumbador.

 

Abstract

An astigmatic detection system (ADS) based on a compact disk/digital-versatile-disk (CD/DVD) astigmatic optical pickup unit (OPU) is presented. It can achieve a resolution better than 0.3 nm in detection of the vertical displacement and is able to detect the two-dimensional angular tilt of the object surface. Furthermore, a novel scanner design actuated by piezoelectric disk buzzers is presented. The scanner is composed of a quad-rod actuation structure and several piezoelectric disks. It can be driven directly with low-voltage and low-current sources, such as analogue outputs of a data acquisition (DAQ) card and enables a sufficient scanning range of up to 15 μm. In addition, an economic, high-performance streamlined atomic force microscope (AFM) was constructed, using the buzzer-scanner to move the sample relative to the probe, and using a CD/DVD OPU to detect the mechanical resonance of a microfabricated cantilever. The performance of the AFM is evaluated. The high sensitivity and high bandwidth of the detection system makes the equipment suitable for characterizing nanoscale elements. An AFM using our detection system for detecting the deflection of microfabricated cantilevers can resolve individual atomic steps on graphite surfaces.

Keywords: Atomic force microscopy (AFM); nano metrology; optical DVD pick-up head; buzzer-scanner.

PACS: 07.79.Lh; 68.37.Ps.

 

DESCARGAR ARTÍCULO EN FORMATO PDF

 

Agradecimientos

Queremos agradecer al Str∅mlingo DIY AFM de Str∅mlinet Nano por su apoyo y al taller del Instituto de Física de la Academia Sínica por la construcción de las partes mecánicas. También queremos agradecer Topray Technologies Co. Ltd. por proveer las unidades de lectura ópticas de DVD y a Budgetsensors por proveer sondas de prueba de tipo contact-G. El presente trabajo fue patrocinado por el National Science Council de Taiwan (MOST 103-2627-M-001-011) de la Academia Sínica y el Proyecto Prometeo de la Secretaría de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación (SENESCYT) de la República del Ecuador.

 

Referencias

1. R. Wiesendanger, Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy: Methods and Applications (Cambridge: Cambridge University Press, 1994).         [ Links ]

2. G. Binnig, C.F. Quate, and C. Gerber, Phys. Rev. Lett. 56 (1986) 930.         [ Links ]

3. P. West, Mater. Today 7 (2004) 64.         [ Links ]

4. E.T. Hwu, K.Y. Huang , S.K. Hung and I.S. Hwang, J. Appl. Phys. 145 (2006) 2368.         [ Links ]

5. E.T. Hwu, S.K.Hung, C.W. Yang, I.S.Hwang and K.Y. Huang, Appl. Phys. Lett. 91 (2007) 221908.         [ Links ]

6. E.T. Hwu, S.K.Hung, C.W. Yang, K.Y. Huang and I.S.Hwang, Nanotechnology 19 (2008) 115501.         [ Links ]

7. W.M. Wang, K.Y. Huang, H.F.Huang, I.S.Hwang and E.T. Hwu, Nanotechnology, 24 (2013) 455503.         [ Links ]

8. G. Binnig and D.P.E. Smith, Rev. Sci. Instrum. 57 (1986) 1688.         [ Links ]

9. K. Compann and P. Kramer, Phillips Tech. Rev. 33 (1973) 178.         [ Links ]

10. G. Bouwhuis and J.J.M. Braat, Appl. Opt. 17 (1978) 1993.         [ Links ]

11. D.K. Cohen, W.H. Gee, M. Ludeke and J. Lewkowicz, Appl. Opt. 23 (1984) 565.         [ Links ]

12. A.J. den Boef, Appl. Phys. Lett. 55 (1989) 439.         [ Links ]

13. B.H. Hoogenboom, et al., Appl. Phys. Lett. 86 (2005) 074101.         [ Links ]

14. T. Göddenhenrich, H. Lemke, U. Hartmann and C. Heiden, J. Vac. Sci. Technol. A 8 (1990) 383.         [ Links ]

15. G. Meyer, N.M. Amer, Appl. Phys. Lett. 53 (1988) 1045.         [ Links ]

16. J. Zhang and L. Cai, IEEE. Instrumentation and Measurement Technology Conf. (Belgium, 1996) p. 513.         [ Links ]

17. K.C. Fan, C.Y. Lin and L.H. Shyu, Meas. Sci. Technol. 11 (2000) N1.         [ Links ]

18. F. Quercioli, B. Tiribilli, C. Ascoli,P. Baschieri and C. Frediani, Rev. Sci. Instrum. 70 (1999) 3620.         [ Links ]

19. E.T. Hwu, K.Y. Huang, and I.S. Hwang, Proc. Optics East, USA 5602 (2004) 218.         [ Links ]

20. E.B. Cooper et al., Appl. Phys. Lett. 76 (2000) 3316.         [ Links ]

21. A. Taguchi, T. Miyoshi, Y. Takaya and S. Takahashi, Precis. Eng. 28 (2004) 152.         [ Links ]

22. J. Sturm et al., IEEE J. Solid-State Circuits 40 (2005) 1406.         [ Links ]

23. C. Deger et al., Appl. Phys. Lett. 72 (1998) 2400.         [ Links ]

24. J.V. Knuuttila, P.T. Tikka and M.M. Salomaa, Opt. Lett. 25 (2000) 613.         [ Links ]

25. J.D. Alexander, M. Tortonese and T. Nguyen, US Patent Specification 5 (1999) 657.         [ Links ]

26. G. Binning and D.P.E. Smith, Rev. Sci. Instrum. 57 (1986) 1688.         [ Links ]

27. E.T. Hwu et al., J. Sensors 2012 (2012) 580939.         [ Links ]