[論文レビュー] Comparison between Atomic Force Microscopy and Force Feedback Microscopy static force curves

Luca Costa, Mário S. Rodrigues+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2013

Force Microscopy Techniques and Applications参考文献 17被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、フィードバックループを用いてチップ・サンプル相互作用を能動的に相殺することで、静的力曲線全体（強力な短距離引力、例えば毛細管凝縮を含む）を直接的・定量的に測定可能であることを示している。これにより、カニレイバーの剛性を5倍まで上回る力勾配下でも、軟らかいカニレイバーを安定して使用できる。

ABSTRACT

Atomic Force Microscopy (AFM) conventional static force curves and Force Feedback Microscopy (FFM) force curves acquired with the same cantilever at the solid/air and solid/liquid interfaces are here compared. The capability of the FFM to avoid the jump to contact leads to the complete and direct measurement of the interaction force curve, including the attractive short-range van der Waals and chemical contributions. Attractive force gradients five times higher than the lever stiffness do not affect the stability of the FFM static feedback loop. The feedback loop keeps the total force acting on the AFM tip equal to zero, allowing the use of soft cantilevers as force transducers to increase the instrumental sensitivity. The attractive interactions due to the nucleation of a capillary bridge at the native oxide silicon/air interface or due to a DLVO interaction at the mica/deionized water interface have been measured. This set up, suitable for measuring directly and quantitatively interfacial forces, can be exported to a SFA (Surface Force Apparatus).

研究の動機と目的

• ナノスケールでの2つの表面間の完全な相互作用力曲線、特に従来のAFMでは測定不能な短距離引力を直接測定すること。
• 従来の静的AFMの限界、すなわち高力勾配による接触への急激な接近が引力の正確な測定を妨げる問題を解決すること。
• FFMがフィードバックを用いてチップ・サンプル力のバランスを能動的に行うことで、軟らかいカニレイバーの安定した動作を可能とし、機器感度を向上させることを示すこと。
• FFMが時間依存相互作用（例えば毛細管ブリッジの核生成）を測定可能であることを検証すること。これは動的AFM手法では困難である。
• FFM装置が、表面力計（SFA）を含む他の力測定装置へも応用可能であることを示すこと。

提案手法

• ファイバー光干渉計がチップ位置をリアルタイムで測定し、正確なフィードバック制御を可能にする。
• 静的フィードバックループが、$ F_{\text{feedback}} = k \Delta z $ で表される逆方向力 $ F_{\text{feedback}} $ を適用する。ここで $ k $ はカニレイバーの剛性、$ \Delta z $ はベースの変位である。
• フィードバックループにより、ピエゾアクチュエーターを用いてカニレイバーのベースを動的に調整することで、チップ位置の安定性が確保され、機械的不安定性が防止される。
• 同一のカニレイバーを従来のAFMモードとFFMモードの両方で使用することで、同一条件下での力曲線の直接比較が可能となる。
• 力勾配がカニレイバーの剛性の5～10倍に達する場合でも、PIDゲインの調整により補償可能であり、比例ゲインが剛性を増加させ、積分ゲインが時間依存力に対応する。
• 2次的な動的ループを用いて保存的力勾配と減衰係数を測定するが、本研究では静的フィードバックモードに焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フィードバックマイクロスコピー（FFM）は、接触への急激な接近を引き起こさずに、強力な引力を含む完全な静的力曲線を測定可能か？
• RQ2 FFMは、固体/空気および固体/液体界面における引力相互作用の測定において、従来のAFMと比べてどのように性能を発揮するか？
• RQ3 FFMは、毛細管ブリッジの核生成のような時間依存相互作用をどの程度処理できるか？
• RQ4 FFMが安定化できる最大の力勾配は何か？ これは従来のAFMと比較して機器感度にどのように影響するか？
• RQ5 FFMのアプローチは、表面力計（SFA）を含む他の力測定装置へも拡張可能か？

主な発見

• FFMは、自然酸化シリコン/空気界面における毛細管ブリッジの核生成を成功裏に測定した。これは従来のAFMでは接触への急激な接近のため測定不能であった。
• 力フィードバックループにより、引力勾配がカニレイバーの剛性の5倍に達する場合でもチップが安定化され、感度を向上させるために軟らかいカニレイバーの使用が可能となった。
• 固体/液体界面（ミカ/脱イオン水）において、FFMは接触なしに直接的かつ定量的にDLVO相互作用を測定した。
• FFMシステムは、フィードバックループの分解能内に収まる誤差でチップ位置の安定性を維持しており、図4のインセットで確認された。
• 時間依存相互作用（ミリ秒スケールで発生する毛細管凝縮など）に対しても補償可能であり、動的力状態下でも高い耐性を示した。
• 最大測定可能引力勾配は、装置のフィードバック帯域幅とアクチュエーターの範囲によって制限されており、力勾配がカニレイバーの剛性の10倍を超えると性能が劣化した。