[논문 리뷰] Comparison between Atomic Force Microscopy and Force Feedback Microscopy static force curves

Luca Costa, Mário S. Rodrigues외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 12.

Force Microscopy Techniques and Applications참고 문헌 17인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 피드백 루프를 통해 토픽-샘플 상호작용을 능동적으로 상쇄함으로써, 강한 단거리 흡인력(예: 응결력)을 포함한 전체 정적 힘 곡선을 직접적으로 정량적으로 측정할 수 있는 포스 피드백 마이크로스코피(FFM)의 능력을 입증한다. 이로 인해 캔틸레버의 강성보다 최대 5배까지 높은 힘 기울기 조건에서도 부드러운 캔틸레버를 안정적으로 사용할 수 있게 된다.

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).

연구 동기 및 목표

• 기존 AFM에서 접근이 어려운 단거리 흡인력(예: 응결력 포함)을 포함한 두 표면 간의 나노스케일 상호작용 힘 곡선을 직접 측정하는 것.
• 기존 정적 AFM의 한계를 해결하는 것: 높은 힘 기울기로 인해 발생하는 '접촉으로의 급격한 이동' 현상으로 인해 흡인력 측정이 정확하지 않다는 점.
• FFM가 피드백을 통해 토픽-샘플 힘을 능동적으로 균형 잡음으로써 연약한 캔틸레버를 안정적으로 작동시킬 수 있음을 보여주어 기구적 민감도를 향상시킨다.
• FFM가 시간에 따라 변화하는 상호작용(예: 캡일러리 브리지 핵형)을 측정할 수 있음을 검증함으로써, 동적 AFM 기법에서 어려움을 겪는 상호작용을 정량적으로 측정할 수 있음을 입증한다.
• FFM 장치가 표면력 장치(SFA)와 같은 다른 힘 측정 장치로의 응용이 가능함을 보여준다.

제안 방법

• 실시간으로 토픽 위치를 측정하기 위해 섬유 광학 간섭계를 사용하여 정밀한 피드백 제어를 가능하게 한다.
• 정적 피드백 루프는 $ F_{\text{feedback}} = k \Delta z $ 를 적용하여 역방향 힘을 발생시킨다. 여기서 $ k $ 는 캔틸레버의 강성, $ \Delta z $ 는 기준판의 변위이다. 이로써 토픽에 작용하는 순력이 0이 되도록 한다.
• 피드백 루프는 피에조 액추에이터를 이용해 캔틸레버 기준판을 동적으로 조정함으로써 토픽 위치의 안정성을 확보하여 기계적 불안정성을 방지한다.
• 동일한 캔틸레버를 기존 AFM 모드와 FFM 모드에서 모두 사용함으로써 동일 조건에서 힘 곡선을 직접 비교할 수 있다.
• PID 이득 조절을 통해 힘 기울기가 캔틸레버 강성의 5~10배까지도 보상 가능하며, 비례 이득은 강성을 증가시키고 적분 이득은 시간에 따라 변화하는 힘을 처리한다.
• 2차 동적 루프를 통해 탄성 힘 기울기와 감쇠 계수를 측정할 수 있지만, 본 연구는 주로 정적 피드백 모드에 집중한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 포스 피드백 마이크로스코피(FFM)는 기계적 불안정 없이 강한 흡인력까지 포함된 전체 정적 힘 곡선을 측정할 수 있는가?
• RQ2 FFM는 고체/공기 및 고체/액체 인터페이스에서 흡인 상호작용을 측정할 때 기존 AFM에 비해 성능이 어떻게 다른가?
• RQ3 FFM는 캡일러리 브리지 핵형과 같은 시간에 따라 변화하는 상호작용을 어느 정도 다룰 수 있는가?
• RQ4 FFM가 안정화할 수 있는 최대 힘 기울기는 얼마이며, 이는 기존 AFM에 비해 기구적 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 FFM 접근법은 표면력 장치(SFA)와 같은 다른 힘 측정 장치로 확장할 수 있는가?

주요 결과

• FFM는 기존 AFM가 접촉으로의 급격한 이동 현상으로 인해 접근이 어려운 천연 산화막 실리콘/공기 인터페이스에서 캡일러리 브리지 핵형을 포함한 전체 상호작용 힘 곡선을 성공적으로 측정하였다.
• 피드백 루프는 흡인력 기울기가 캔틸레버 강성의 5배 이상일 경우에도 토픽을 안정화시켜, 민감도 향상을 위해 연약한 캔틸레버를 사용할 수 있도록 한다.
• 고체/액체 인터페이스(마이카/디온라이즈드 워터)에서 FFM는 접촉 없이 직접적으로 DLVO 상호작용을 정량적으로 측정할 수 있었다.
• FFM 시스템은 피드백 루프의 해상도 이내의 오차로 토픽 위치 안정성을 유지하였으며, 이는 그림 4의 인셋을 통해 확인되었다.
• 시간에 따라 변화하는 상호작용(예: 밀리초 단위의 응결력)에도 불구하고 FFM는 동적 힘 영역에서 뛰어난 내구성을 보였다.
• 측정 가능한 최대 흡인력 기울기는 기구의 피드백 대역폭과 액추에이터 범위에 의해 제한되며, 힘 기울기가 캔틸레버 강성의 10배를 초과할 경우 성능 저하가 발생한다.