[논문 리뷰] Eliminating the effect of acoustic noise on cantilever spring constant calibration

Aaron Mascaro, Yoichi Miyahara외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 03.

Force Microscopy Techniques and Applications참고 문헌 30인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 원자력현미경(AFM)에서 캔틸레버 스프링 상수 校정 시 음향 노이즈 간섭을 제거하기 위한 능동 주입 방식을 제안한다. 캔틸레버를 능동적으로 진동시켜 공진 주파수와 품질 인자를 측정함으로써, 추가 하드웨어 없이 노이즈에 민감하지 않고 재현 가능한 스프링 상수 측정을 실현한다. 이는 다양한 실험실과 기기 간 AFM 힘 측정에서 발생하는 주요 변동 원인을 해결한다.

ABSTRACT

A common use for atomic force microscopy is to quantify local forces through tip-sample interactions between the probe tip and a sample surface. The accuracy of these measurements depends on the accuracy to which the cantilever spring constant is known. Recent work has demonstrated that the measured spring constant of a cantilever can vary up to a factor of two, even for the exact same cantilever measured by different users on different microscopes. Here we demonstrate that a standard method for calibrating the spring constant (using the oscillations due to thermal energy) is susceptible to ambient noise, which can alter the result significantly. We demonstrate a new step-by-step method to measure the spring constant by actively driving the cantilever to measure the resonance frequency and quality factor, giving results that are unaffected by acoustic noise. Our method can be performed rapidly on any atomic force microscope without any expensive additional hardware.

연구 동기 및 목표

• 다양한 사용자와 AFM 시스템 간에 관찰되는 캔틸레버 스프링 상수 측정의 상당한 변동성(최대 두 배의 요인)을 해결하기 위해.
• 주변 음향 노이즈가 열운동 기반 校정 방법에서 체계적인 오차의 주요 원인임을 규명하기 위해.
• 음향 노이즈 영향을 제거하는 내구성 있고 하드웨어에 종속되지 않는 방법을 개발하기 위해.
• 비용이 많이 들지 않는 수정 없이도 표준 AFM 시스템을 사용하여 정확하고 재현 가능한 스프링 상수 측정을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 열운동 기반 측정을 대체하여, 함수 발생기와 스피커를 사용해 캔틸레버를 능동적으로 진동시킴으로써 기계적 진동을 유도한다.
• 자기진동 감쇠(링다운) 후의 데이터를 지수 감쇠 곡선에 피팅하여 공진 주파수와 품질 인자를 측정한다.
• 측정된 링다운 신호는 노이즈 수준 이하가 되지 않도록, 노이즈 수준 이상에서만 기록하고 피팅하여 정확성과 외부 노이즈에 대한 민감도를 감소시킨다.
• 측정된 공진 주파수와 품질 인자를 Sader의 해석 모델에 적용하여 스프링 상수를 계산한다.
• 이 방법은 음향원으로부터 기인하는 비백색성 및 비정규성 노이즈에 민감한 열운동 파wer 스펙트럼 밀도(PSD) 피팅에 의존하지 않아야 한다.
• 이 방법은 표준 AFM와 호환되며, 표준 AFM 전자기기와 함수 발생기 외에 특수한 하드웨어가 필요하지 않다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주변 음향 노이즈는 AFM에서 열운동에 의해 구동되는 캔틸레버 진동의 파워 스펙트럼 밀도(PSD)에 얼마나 심각하게 왜곡을 초래하는가?
• RQ2 캔틸레버를 능동적으로 진동시킴으로써 음향 노이즈가 공진 주파수 및 품질 인자 측정에 미치는 영향을 제거할 수 있는가?
• RQ3 왜 같은 캔틸레버에 대해 다른 사용자와 AFM 시스템이 상당히 다른 스프링 상수를 보고하는가?
• RQ4 비용이 많이 들지 않는 하드웨어 없이도 음향 노이즈에 강건한 校정 방법을 개발할 수 있는가?
• RQ5 능동 주입 방식이 열운동 기반 방법보다 더 높은 재현성을 보이는가?

주요 결과

• 음향 노이즈는 캔틸레버의 열운동 PSD에 심각한 왜곡을 유도하여 잘못된 피팅을 초래하고, 측정된 스프링 상수에 최대 두 배의 변동을 초래한다.
• 음향 범위(예: 약 20 kHz)의 공진 주파수를 가진 캔틸레버는 음향 노이즈 간섭에 특히 취약하다.
• 능동 주입은 신호를 노이즈 수준 이하로 떨어지지 않게 높여 공진 주파수와 품질 인자 측정을 신뢰할 수 있게 하며, 주변 음향 노이즈에 민감하지 않게 한다.
• 링다운 방법을 통한 Q인자 측정은 반복 시험에서 매우 높은 재현성을 보이며, 반복 측정에서 표준편차가 낮다.
• 능동 주입 데이터로부터 계산된 스프링 상수는 다양한 사용자와 AFM 시스템 간에 일관된 결과를 보이며, 실험실 간 변동성을 제거한다.
• 이 방법은 음향 범위와 초음파 범위의 캔틸레버 모두에 효과적이며, 광범위한 적용 가능성을 보여준다.