DE29521543U1 - Near-field optical microscope - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein nahfeldoptisches Mikroskop (NSOM = Near Field Scanning Optical Microscope) und einen Sondenkopf dafür.The invention relates to a near-field optical microscope (NSOM = Near Field Scanning Optical Microscope) and a probe head therefor.
Ein NSOM nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. 13 ist in Toledo-Crow et al, Applied Physics Letters, Band 60, Seiten 2957 bis 2959 (1992) offenbart und in Figur 1 schematisch dargestellt. In einem NSOM wird eine Wellenleiterspitze, üblicherweise die Spitze einer optischen Faser, verwendet, um die optische Kopplung zwischen Spitze und eine Probe zu messen. In dem bekannten NSOM nach Toledo-Crow et al wird als Stellwert für die Regelung des Abstands zwischen Probe und Spitze die Amplitudenveränderung der Spitzenvibration verwendet. Dies hat den Vorteil, daß eine schnellere Messung im Vergleich zu Frequenzmessung geboten wird, da Veränderungen in der Dämpfung, d.h. in der Größe der Vibration, im Prinzip augenblicklich gemessen werden können. Toledo-Crow et al verwenden optische Mittel, um die Vibrationsamplitude zu messen, die eine Laserquelle, ein Wollastonprisma, einen Strahlteiler, eine Objektivlinse, einen Polarisationsanaiysator und einen Lichtdetektor umfassen.An NSOM according to the preamble of claim 1 or 13 is disclosed in Toledo-Crow et al, Applied Physics Letters, Volume 60, pages 2957 to 2959 (1992) and is shown schematically in Figure 1. In an NSOM, a waveguide tip, usually the tip of an optical fiber, is used to measure the optical coupling between the tip and a sample. In the known NSOM according to Toledo-Crow et al, the amplitude change of the tip vibration is used as the control value for controlling the distance between the sample and the tip. This has the advantage of offering a faster measurement compared to frequency measurement, since changes in the damping, i.e. in the magnitude of the vibration, can in principle be measured instantaneously. Toledo-Crow et al use optical means to measure the vibration amplitude, which includes a laser source, a Wollaston prism, a beam splitter, an objective lens, a polarization analyzer, and a light detector.
Trotz ihrer Empfindlichkeit und Schnelligkeit ist diese bekannte Konstruktion recht kompliziert. Sie ist teuer, sie nimmt einen beträchtlichen Raum ein und benötigt auch eine Ausrichtung und Einstellung der optischen Komponenten, die aber durch mechanische Stöße gestört werden können. Wegen der benötigten Ausrichtung und Einstellung ist es schwierig, eine solche Vorrichtung vollständig automatisch zu betreiben, wie es z.B. in einem Satelliten, in einer gefährlichen Umgebung wie einem Kernreaktor, in einer Vakuumkammer oder in einem Kryostaten nötig und in einem kommerziellen schlüsselfertigen System auch erwünscht ist. Auch können die räumlichen Anforderungen der Vorrichtung in manchen Anwendungen problematisch sein, zum Beispiel wäre es nicht leicht, eine Vorrichtung dieser Art in dem eingeschränkten Probenraum eines Magnetkryostaten unterzubringen. Eine weitere Konsequenz der Raum- und Ausrichtungsanforderungen ist, daß die Probe gerastert werden muß, um ein Bild aufbauen zu können, da mit diesem Aufbau das Rastern derDespite its sensitivity and speed, this known design is quite complicated. It is expensive, it takes up a considerable amount of space and also requires alignment and adjustment of the optical components, which can be disturbed by mechanical shocks. Because of the alignment and adjustment required, it is difficult to operate such a device completely automatically, as is necessary, for example, in a satellite, in a hazardous environment such as a nuclear reactor, in a vacuum chamber or in a cryostat, and is also desired in a commercial turnkey system. The spatial requirements of the device can also be problematic in some applications, for example it would not be easy to accommodate a device of this type in the limited sample space of a magnetic cryostat. A further consequence of the space and alignment requirements is that the sample must be scanned in order to be able to build up an image, since with this setup the scanning of the
Spitze unpraktisch ist, weil dann das optische Regelungssystem das Rastern der Spitze hätte folgen müssen. Für einige Proben ist dies unwichtig, es kann aber ein Problem für große oder schwere Proben darstellen, wie für mechanische Arbeitsteile, sowie für Proben, die nicht stillgehalten werden können, wie lebende Organismen oder Pflanzen.tip is impractical because then the optical control system would have to follow the scanning of the tip. For some samples this is unimportant, but it can be a problem for large or heavy samples, such as mechanical working parts, and for samples that cannot be held still, such as living organisms or plants.
Ein weiteres NSOM, welches auch optische Mittel zum Messen der Vibration der Spitze benutzt, wird durch Betzig et al in Applied Physics Letters, Band 60, Seiten 2484 bis 2486 (1992) beschrieben. Ausführungsformen werden offenbart, die nicht nur die Amplitude, sondern auch wahlweise die Phase der Vibration als Stellwert verwenden. Die Vorrichtung von Betzig et al hat ähnliche Vorteile und Nachteile wie die von Toiedo-Crow et al.Another NSOM which also uses optical means to measure the vibration of the tip is described by Betzig et al in Applied Physics Letters, Volume 60, pages 2484 to 2486 (1992). Embodiments are disclosed which use not only the amplitude but also optionally the phase of the vibration as a control value. The device of Betzig et al has similar advantages and disadvantages to that of Toiedo-Crow et al.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein nahfeldoptisches Mikroskop zu schaffen, wobei Vibrationsänderungen der Spitze durch Mittel gemessen werden, die keine optische oder mechanische Ausrichtung und Einstellung erfordern, wobei Veränderungen des Vibrationszustandes der Spitze schnell, genau und mit großer Empfindlichkeit gemessen werden können, wobei der Sondenkopf kompakt und leicht ist, und wobei der Sondenkopf robust ist.Therefore, it is an object of the present invention to provide a near-field optical microscope wherein vibration changes of the tip are measured by means that do not require optical or mechanical alignment and adjustment, wherein changes in the vibration state of the tip can be measured quickly, accurately and with high sensitivity, wherein the probe head is compact and lightweight, and wherein the probe head is robust.
Die vorstehenden Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die charakterisierenden Merkmale vom Anspruch 1 bzw. 13 gelöst.The above objects are achieved according to the invention by the characterizing features of claim 1 and 13 respectively.
Für NSOM, die die Spitze im Betrieb wobbeln oder vibrieren, bildet die Spitze bzw. ein anderes damit zusammenwirkendes Glied einen Oszillator. Der Güte- bzw. Q-Faktor dieses Ozillators ist ein wichtiger Parameter für die Leistung des NSOM. Mit einer erfindungsgemäßen gekopplten Oszillatoranordnung kann der Q-Faktor dramatisch erhöht werden, und wie nachstehend näher beschrieben wird, kann er auf einfache Weise auf vorher errechnete optimale Konstruktionswerte über einen großen Bereich hergestellt werden.For NSOMs that wobble or vibrate the tip during operation, the tip or other cooperating member forms an oscillator. The Q factor of this oscillator is an important parameter for the performance of the NSOM. With a coupled oscillator arrangement according to the invention, the Q factor can be increased dramatically and, as described in more detail below, can be easily manufactured to pre-calculated optimal design values over a wide range.
Das Signal ist rein elektrisch und kann daher sehr einfach erfaßt und verarbeitet werden. Das Instrument ist sehr empfindlich. Das Signal reagiert sehr schnell auf Veränderungen der Vibrationsfrequenz, -amplitude und -phase der Spitze. Weil keineThe signal is purely electrical and can therefore be very easily recorded and processed. The instrument is very sensitive. The signal reacts very quickly to changes in the vibration frequency, amplitude and phase of the tip. Because there is no
optischen Komponenten für das Abtastmittel und kein optischer Zugang zum Sondenkopf mehr erforderlich sind ist der Sondenkopf sehr kompakt, wobei hier der Sondenkopf als Sammelbegriff für die Komponenten des NSOM benutzt wird, die eine Baueinheit mit der Spitze bilden.optical components for the scanning device and no optical access to the probe head is required, the probe head is very compact, whereby the probe head is used here as a collective term for the components of the NSOM that form a structural unit with the tip.
Der Sondenkopf des erfindungsgemäßen NSOM ist eine kleine robuste Komponente, die aggressiven Umgebungen, wie Extremen von Temperaturen widerstehen kann. Darüberhinaus bedeutet die Art der Konstruktion, daß der Sondenkopf ein physikalisch getrennter Teil des NSOM ist, der nur durch elektrische Leitungen mit den übrigen Teilen des NSOM verbunden ist. Die elektrischen Leitungen sowie die optische Faser sind flexibel und verlustfrei. Folglich kann der Sondenkopf in einem Kryostaten einschließlich eines Magnetenkryostaten, in einer Vakuumkammer oder in einer abgetrennten radioaktiven Umgebung installiert werden. Herkömmliche Ausgänge von einem Kryostaten, von einer Vakuumkammer, usw. können benutzt werden, um den Sondenkopf mit den übrigen Teilen des NSOM zu verbinden.The probe head of the inventive NSOM is a small, robust component that can withstand aggressive environments such as extremes of temperature. Furthermore, the nature of the construction means that the probe head is a physically separate part of the NSOM, connected only by electrical leads to the remaining parts of the NSOM. The electrical leads as well as the optical fiber are flexible and lossless. Consequently, the probe head can be installed in a cryostat, including a magnetic cryostat, in a vacuum chamber or in an isolated radioactive environment. Conventional outputs from a cryostat, from a vacuum chamber, etc. can be used to connect the probe head to the remaining parts of the NSOM.
Die Spitze des NSOM ist aus dem Endabschnitt einer optischen Faser geformt. Die Spitze endet in eine optisch durchlässige Öffnung. Die Spitze wird vorzugsweise mit einer reflektierenden Beschichtung rund um seine optisch durchlässige Öffnung versehen.The tip of the NSOM is formed from the end portion of an optical fiber. The tip terminates in an optically transparent aperture. The tip is preferably provided with a reflective coating around its optically transparent aperture.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das erste Oszillatormittel ein Bimorph, d.h. der erste Teil des piezoelektrischen Materials ist in mindestens zwei verbundene Teile mit verschiedenen piezoelektrischen Eigenschaften unterteilt. Typischerweise gibt es zwei verbundene Längshälften mit Abmessungsverhältnissen, die jenen eines herkömmlichen bimetalIischen Streifens gleichen. Die zwei Hälften bestehen entweder aus verschiedenen Materialien oder aus dem gleichen Material, sind jedoch mit verschiedenen relativen Kristallorientierungen miteinander verbunden.In an advantageous embodiment, the first oscillator means is a bimorph, i.e. the first part of the piezoelectric material is divided into at least two connected parts with different piezoelectric properties. Typically, there are two connected longitudinal halves with dimensional ratios similar to those of a conventional bimetallic strip. The two halves are either made of different materials or of the same material but are connected to each other with different relative crystal orientations.
In einer bevorzugten Ausführungsform des NSOM der Erfindung besteht sowohl das erste als auch das zweite Oszillatormittel aus einem Teil piezoelektrischen Materials. Natürlich kann das zweite Teil auch ein Bimorph sein.In a preferred embodiment of the NSOM of the invention, both the first and the second oscillator means consist of a part of piezoelectric material. Of course, the second part can also be a bimorph.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des NSOM der Erfindung, werden die ersten und zweiten Oszillatormittel durch eine Stimmgabel gebildet, wobei die Stimmgabel auf herkömmliche Art einen ersten und zweiten Zinken aufweist. Dies ist aus praktischer und kommerzieller Sicht eine besonders attraktive Konstruktion, da die mit Stimmgabeln, insbesondere in der Uhrenindustrie benutzte Quarzstimmgabein, verbundene Technologie sehr ausgereift ist Insbesondere erzeugen solche Stimmgabeln eine fast exakt definierte Frequenz und sind sehr zuverlässig und kostengünstig.In a particularly preferred embodiment of the NSOM of the invention, the first and second oscillator means are formed by a tuning fork, the tuning fork having first and second prongs in the conventional manner. This is a particularly attractive construction from a practical and commercial point of view, since the technology associated with tuning forks, particularly quartz tuning forks used in the watch industry, is very mature. In particular, such tuning forks produce an almost exactly defined frequency and are very reliable and inexpensive.
In einer weiteren Gruppe von Ausführungsformen des NSOM der Erfindung wird das zweite Oszillatormittel von einem Oszillatorschaltkreis, typischerweise einem elektronischen Schaltkreis ausgebildet. Der Oszillatorschaltkreis wird dann mit dem ersten Oszillatormittel entweder elektronisch, z.B. durch einen Draht, oder optoelektronisch, z.B. durch eine optische Faser mit zugehörigen, als die optoelektronischen Umwandler agierenden Halbleiterlasern und Detektoren gekoppelt.In a further group of embodiments of the NSOM of the invention, the second oscillator means is formed by an oscillator circuit, typically an electronic circuit. The oscillator circuit is then coupled to the first oscillator means either electronically, e.g. by a wire, or optoelectronically, e.g. by an optical fiber with associated semiconductor lasers and detectors acting as the optoelectronic converters.
In einer ersten Konstruktion des Wobbelmittels in einem NSOM der Erfindung ist das Wobbeimittel eine physikalisch getrennte, als Wobbeiblock bezeichnete Komponente aus piezoelektrischem Material. Elektrische Leitungen werden mit dem piezoelektrischen Wobbeiblock in Berührung gebracht, der gewobbelt, d.h. in eine oszillatorische Bewegung versetzt wird, indem ein das Wobbein treibendes, elektrisches Eingangssignal wie z.B. eine Sinusspannung von einem herkömmlichen Signalerzeuger angelegt wird. In dieser Konstruktion des Wobbelmittels ist es erwünscht, daß der piezoelektrische Wobbelblock rein als Treiberelement wirkt und nicht empfindlich auf die Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe reagiert. Folglich wird es in dieser Konstruktion des Wobbelmittels vorgezogen, daß das für das Wobbeimittel verwendete Material aus einem keramischen, amorphen, polykristallinen oder anderem gleichartigen Material besteht, das insbesondere über die im Betrieb benutzten Frequenzbereiche schlechte mechanische Oszillationseigenschaften aufweist. Dies stellt sicher, daß Oszillationen der mechanischen Teile der gekoppelte Oszillatoranordnung, z.B. Resonanzoszillationen der Stimmgabel, keine oder zumindest keine starke Oszillation des Wobbelblocks hervorrufen.In a first design of the wobble means in an NSOM of the invention, the wobble means is a physically separate component called a wobble block made of piezoelectric material. Electrical leads are brought into contact with the piezoelectric wobble block, which is wobbled, i.e., set in an oscillatory motion, by applying an electrical input signal driving the wobble, such as a sinusoidal voltage from a conventional signal generator. In this design of the wobble means, it is desirable that the piezoelectric wobble block act purely as a driver element and is not sensitive to the interaction between tip and sample. Consequently, in this design of the wobble means, it is preferred that the material used for the wobble means be made of a ceramic, amorphous, polycrystalline or other similar material which has poor mechanical oscillatory properties, particularly over the frequency ranges used in operation. This ensures that oscillations of the mechanical parts of the coupled oscillator arrangement, e.g. resonance oscillations of the tuning fork, do not cause any or at least no strong oscillation of the wobble block.
In einer zweiten Konstruktion des Wobbeimittels in einem NSOM der Erfindung kann auf einen getrennten Wobbelblock verzichtet werden, indem das piezoelektrische Osziliatormaterial auch für die Erzeugung der Wobbeibewegung eingesetzt wird. In diesem Fall ist das Wobbelmittei zusammen mit mindestens dem ersten Teil piezoelektrischen Materials gebaut und umfaßt mindestens einen elektrischen Kontakt, der auf mindestens dem ersten Teii piezoelektrischen Materials angeordnet ist. Um Wobbeibewegungen hervorzurufen, wird analog zur vorstehend beschriebenen ersten Konstruktion des Wobbeimittels ein elektrisches Signal angelegt. Dieses die Wobbeibewegung treibende, elektrische Eingangssignal verformt mindestens den ersten Teil piezoelektrischen Materials, um die erwünschte oszillatorische Bewegung der Spitze hervorzurufen. In Ausführungsformen dieser Art mit erstem und zweitem Osziilatormittel aus piezoelektrischem Material, insbesondere Stimmgabel- und Doppelbimorphausfuhrungsformen wird bevorzugt, daß das Wobbelmittel einen elektrischen Kontakt umfaßt, der auf dem ersten Teil piezoelektrischen Materials, d.h. auf der ersten Zinke der Stimmgabe! angeordnet ist, sowie einen weiteren elektrischen Kontakt, der auf dem zweiten Teil piezoelektrischen Materials, d.h. auf der zweiten Zinke der Stimmgabe! angeordnet ist. Die symmetrische Wirkung des Wobbeitreibers wird dadurch sichergestellt.In a second design of the wobble means in an NSOM of the invention, a separate wobble block can be dispensed with by using the piezoelectric oscillator material also for generating the wobble motion. In this case, the wobble means is built together with at least the first part of piezoelectric material and comprises at least one electrical contact arranged on at least the first part of piezoelectric material. In order to induce wobble movements, an electrical signal is applied analogously to the first design of the wobble means described above. This electrical input signal driving the wobble motion deforms at least the first part of piezoelectric material to induce the desired oscillatory movement of the tip. In embodiments of this type with first and second oscillator means made of piezoelectric material, in particular tuning fork and double bimorph embodiments, it is preferred that the wobble means comprise an electrical contact arranged on the first part of piezoelectric material, i.e. on the first prong of the tuning fork, and a further electrical contact arranged on the second part of piezoelectric material, i.e. on the second prong of the tuning fork. The symmetrical effect of the wobble driver is thereby ensured.
In der ersten Konstruktion muß das Wobbelmittel nicht Teil des Sondenkopfes sein. Mit anderen Worten, da das Wobbelmittel nur relative Bewegung zwischen Spitze und Probe zu erzeugen hat, kann das Wobbelmittel so eingesetzt werden, daß die Probe anstatt der Spitze gewobbelt wird. Die zweite Konstruktion des Wobbeimittels mit integralem WobbeK und Oszillatormittel ist dagegen nicht zum Probewobbein geeignet.In the first design, the wobble means does not have to be part of the probe head. In other words, since the wobble means only has to produce relative motion between the tip and the sample, the wobble means can be used to wobble the sample instead of the tip. The second design of the wobble means with integral wobble and oscillator means, on the other hand, is not suitable for sample wobbling.
Die Erfindung wird nun beispielhaft anhand der Figuren näher beschrieben. Die Figuren zeigen:The invention will now be described in more detail using the figures as an example. The figures show:
Figur 1 ein schematisches Biockdiagramm eines aus Toledo-Crow et alFigure 1 is a schematic block diagram of a Toledo-Crow et al.
bekannten NSOM mit optischem Abtastmittel;known NSOM with optical scanning means;
Figur 2 ein schematisches Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen NSOM;Figure 2 is a schematic block diagram of an NSOM according to the invention;
Figur 3 eine schematische Detailansicht des Sondenkopfes des NSOM gemäßFigure 3 is a schematic detailed view of the probe head of the NSOM according to
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit zwei Ansichten, wobei eine um 90 Grad in Bezug zur anderen gedreht ist;a preferred embodiment of the invention with two views, one rotated 90 degrees with respect to the other;
Figur 4 eine schematische und stark übertrieben dargestellte Figur, die eineFigure 4 is a schematic and highly exaggerated figure showing a
Ladungsverteilung in einer piezoelektrischen Stimmgabel zeigt, wobei die strichpunktierten Linien die Ebenen mit Nulldehnung darstellen: Figur 4A im Ruhezustand; Figur 4B in einem Resonanzmodus oszillierend; und Figur 4C außerhalb der Resonanz;Charge distribution in a piezoelectric tuning fork, where the dashed lines represent the planes of zero strain: Figure 4A at rest; Figure 4B oscillating in a resonance mode; and Figure 4C off resonance;
Figur 5 stark schematisierte Diagram einer weiteren Ausführungsform mitFigure 5 highly schematic diagram of another embodiment with
Doppelbimorph;double bimorph;
Figur 6 stark schematisierte Diagram einer weiteren Ausführungsform einemFigure 6 highly schematic diagram of another embodiment of a
ersten Oszillatormittel aus einem Teil piezoelektrischen Materials und einem zweiten Osziliatormittel mit einem elektrischen Oszillatorschaltkreis;first oscillator means comprising a piece of piezoelectric material and a second oscillator means comprising an electrical oscillator circuit;
Figur 7 schematische Diagramme von verschiedenen erfindungsgemäeenFigure 7 schematic diagrams of various inventive
Stimmgabelanordnungen:Tuning fork arrangements:
Figur 7A Eine zur Benutzung mit einem getrennten Wobbelblock geeignete Stimmgabel, wobei ein Kontaktpaar für das Abtastsignai auf einer Seitenfläche der Stimmgabel angeordnet (in der Ansicht auf der rechten Seite ersichtlich), und eine Masse- bzw. Erdkontakt auf der rückseitigen Räche der Stimmgabel angeordnet ist (in der Ansicht auf der linken Seite ersichtlich);Figure 7A A tuning fork suitable for use with a separate sweep block, with a pair of contacts for the scanning signal arranged on one side surface of the tuning fork (visible in the view on the right) and a ground contact arranged on the rear surface of the tuning fork (visible in the view on the left);
Figur 7B Eine Stimmgabel, die geeignet zur Benutzung mit einem getrennten Wobbelblock ist, mit einem Paar eingefädelter Kontakte für das Abtastsignal (aber keinem Erdkontakt), wobei die weißen Bereiche freiliegendes Quarz und die zwei grauen Schattierungen die zwei eingefädelten Kontakte anzeigen;Figure 7B A tuning fork suitable for use with a separate sweep block, with a pair of threaded contacts for the scanning signal (but no ground contact), the white areas indicating exposed quartz and the two grey shades indicating the two threaded contacts;
Figur 7C Eine Stimmgabel mit integriertem Wobbeimittel. Die Stimmgabel weist ein Kontaktpaar für das Abtastsignal auf, das auf einer Seitenfläche der Stimmgabel angeordnet (in der Ansicht auf der rechten Seite ersichtlich), und einen Masse- bzw. Erdkontakt, der auf der rückseitigen Fläche der Stimmgabel wie in Figur 7A angeordnet ist (in der Ansicht auf der linken Seite ersichtlich). Jedoch gibt es zusätzlich zwei Wobbeikontakte zum Empfangen des das Wobbein treibenden, wechselstromelektrischen Eingangssignals;Figure 7C A tuning fork with an integral wobbler. The tuning fork has a pair of contacts for the scanning signal located on one side surface of the tuning fork (seen on the right in the view) and a ground contact located on the rear surface of the tuning fork as in Figure 7A (seen on the left in the view). However, there are additionally two wobbler contacts for receiving the AC electrical input signal driving the wobbler;
Figur 8 verschiedene Eigenschaften eines NSOM mit einer Stimmgabe! gemäßFigure 8 different properties of a NSOM with a voice! according to
Figur 7B und einer daran befestigten optischen Faser gemäß Figur 3 jeweils in Form einer Messung des Abtastsignals als eine Funktion der Wobbeifrequenz:Figure 7B and an optical fiber attached thereto according to Figure 3 each in the form of a measurement of the scanning signal as a function of the sweep frequency:
Figur 8A Abtastsignal als eine Funktion der Wobbeifrequenz beim Fehlen der Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe;Figure 8A Scanning signal as a function of sweep frequency in the absence of tip-sample interaction;
Figur 8B Abtastsignal als eine Funktion der Wobbeifrequenz für verschiedene Pegel der Spitze-Probe Reibungskraft ('Reibung'), wobei der Effekt, den die Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe auf die Spitzenoszillation ausübt, gezeigt wird. Die Punkte sind gemessen und die Linien nach Berechnungen eines angetriebenen harmonischen Oszillatormodels gefittet;Figure 8B Scanning signal as a function of sweep frequency for different levels of tip-sample friction force ('friction'), showing the effect that the interaction between tip and sample has on the tip oscillation. The points are measured and the lines are fitted to calculations from a driven harmonic oscillator model;
Figur 8C Abtastsignal als eine Funktion der Wobbeifrequenz, wobei der Effekt des Festklebens der Spitze an der Stimmgabel auf die Oszillatoreigenschaften der Stimmgabe! gezeigt wird. Der rechte Scheitel zeigt die Stimmgabelreaktion vor dem Kleben der Spitze an die Stimmgabel, und der linke Scheitel zeigt die entsprechende Reaktion nach dem Kleben der Spitze, d.h. in einem zusammengesetzten Sondenkopf.Figure 8C Sample signal as a function of sweep frequency showing the effect of sticking the tip to the tuning fork on the oscillator properties of the tuning fork! The right vertex shows the tuning fork response before sticking the tip to the tuning fork, and the left vertex shows the corresponding response after sticking the tip, i.e. in a composite probe head.
Figur 3 zeigt den Sondenkopf gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Eine Kristallquarzstimmgabel 5 ist mit einer optischen Faser 20 verbunden. DieFigure 3 shows the probe head according to a first embodiment of the invention. A crystal quartz tuning fork 5 is connected to an optical fiber 20. The
Stimmgabe! 5 ist an einem zylindrisch geformten Wobbelblock 50 aus keramischem piezoelektrischem Material angebracht, wie durch die gebrochenen Linien gezeigt ist. Die Stimmgabel 5 ist ein gekoppelter Oszillator mit einem ersten, durch die Zinke 30 ausgebildeten Oszillator, und einem zweiten, durch die Zinke 31 ausgebildeten Oszillator.Tuning fork 5 is attached to a cylindrically shaped wobble block 50 made of ceramic piezoelectric material, as shown by the broken lines. The tuning fork 5 is a coupled oscillator having a first oscillator formed by the tine 30 and a second oscillator formed by the tine 31.
Der Endabschnitt der optischen Faser 20 bildet die Spitze 10 aus. Die Spitze 10 ragt über das Ende der Stimmgabel um eine Länge 'p' hinaus, die vorzugsweise mit einem Wert zwischen 0,5 bis 1,0 Millimeter gewählt wird. Die Spitze 10 ist vorzugsweise sich verjüngend ausgebildet und weist ein verengtes Ende auf. Die Verjüngung kann zum Beispiel durch ein übliches optisches Faserzugverfahren ausgebildet werden. Die Spitze weist vorzugsweise eine reflektive Aluminium-Beschichtung 11 auf. Das Aluminium kann zum Beispiel durch ein übliches Bedampfungsverfahren aufgebracht werden. Das Ende des Spitzenabschnitts bildet eine optisch durchlässige Öffnung 12, durch die Photonen gelangen können.The end section of the optical fiber 20 forms the tip 10. The tip 10 protrudes beyond the end of the tuning fork by a length 'p', which is preferably selected to be between 0.5 and 1.0 millimeters. The tip 10 is preferably tapered and has a narrowed end. The taper can be formed, for example, by a conventional optical fiber drawing process. The tip preferably has a reflective aluminum coating 11. The aluminum can be applied, for example, by a conventional vapor deposition process. The end of the tip section forms an optically transparent opening 12 through which photons can pass.
Die optische Faser 20 ist mit Verbindungsmittel 13 z.B. Klebstoff oder Lack entlang der Länge einer Seite der Stimmgabel geklebt.The optical fiber 20 is bonded with a bonding agent 13, e.g. adhesive or varnish, along the length of one side of the tuning fork.
Kontaktkonstruktion Contact construction
Die Stimmgabe! 5 besitzt ein Abtastkontaktpaar 40, 41. In der Figur 3 und auch in der Figur 7A sind beide Abtastkontakte 40, 41 auf derselben, in der rechten Ansicht ersichtlichen Seitenfläche der Stimmgabel angeordnet, während ein Masse- bzw. Erdkontakt 43 auf der in der linken Ansicht ersichtlichen rückseitigen Fläche der Stimmgabel angeordnet ist.The tuning fork 5 has a pair of scanning contacts 40, 41. In Figure 3 and also in Figure 7A, both scanning contacts 40, 41 are arranged on the same side surface of the tuning fork, which can be seen in the right-hand view, while a ground or earth contact 43 is arranged on the rear surface of the tuning fork, which can be seen in the left-hand view.
Figur 7B zeigt eine alternative Anordnung für die Kontakte, die auch für einen Sondenkopf mit einem getrennten Wobbelblock 50 gemäß Figur 3 geeignet ist. In dieser Anordnung verlaufen die Abtastkontakte 40, 41 auf beiden Seitenflächen der Stimmgabel durch eine etwas aufwendige geometrische Anordnung. Die unschattierten, weißen Bereiche stellen freiliegendes Quarz dar, und die zwei verschiedenen schraffierten Bereichen stellen die zwei eingefädelten Kontakte 40 bzw. 41 dar. Kein Erdkontakt 43 ist vorgesehen. Diese aus der ElektronikindustrieFigure 7B shows an alternative arrangement for the contacts, which is also suitable for a probe head with a separate wobble block 50 as shown in Figure 3. In this arrangement, the sensing contacts 40, 41 run on both sides of the tuning fork through a somewhat complex geometric arrangement. The unshaded, white areas represent exposed quartz, and the two different hatched areas represent the two threaded contacts 40 and 41, respectively. No ground contact 43 is provided. This arrangement from the electronics industry
bekannte Kontaktanordnung ist besonders wirksam bei der Umwandlung von deformationsinduzierter piezoelektrischer Ladung in ein Abtastsignal.known contact arrangement is particularly effective in converting deformation-induced piezoelectric charge into a scanning signal.
Eine weitere Anordnung ist in der Figur 7C gezeigt. Zwei Kontaktpaare, nämlich ein erstes Abtastkontaktpaar 40, 41 und ein zweites zusätzliches Kontaktpaar 44, 45 sind vorgesehen. Wie nachstehend beschrieben ist, stellt das Kontaktpaar 44, 45 das Wobbelmittei dar, wobei Potentialunterschiede zwischen den Kontakten 44 und 45 angelegt werden, um die Verformung der Stimmgabelzinken hervorzurufen.Another arrangement is shown in Figure 7C. Two contact pairs, namely a first sensing contact pair 40, 41 and a second additional contact pair 44, 45 are provided. As described below, the contact pair 44, 45 provides the sweep means, potential differences being applied between the contacts 44 and 45 to cause the deformation of the tuning fork tines.
Die Abtastkontakte sind an der Basis der Zinken jeweils an den inneren und äußeren Seiten angeordnet, da diese die Ebenen maximaler Dehnung während der Vibration sind und folglich das größte Abtastsignal liefern. Anders gesagt, führt die Stimmgabel eine duale Funktion im Wobbein und Erfassen aus. Der offensichtliche Vorteil dieser Konstruktion ist, daß auf einen getrennten Wobbelblock gemäß Figur 3 verzichtet werden kann, was wiederum ein noch kompakteres und einfacheres NSOM zur Folge hat. Bei dieser Konstruktion ist es wünschenswert, den die Wobbeibewegung treibenden Schaltkreis und den Abtastschaltkreis physikalisch möglichst weit auseinander zu halten, um eine kapazitive Kopplung zwischen den beiden zu vermeiden. Die Kopplung zwischen den Schaltkreisen sollte nämlich im Idealfall ausschließlich piezoelektrisch sein.The sensing contacts are located at the base of the tines on the inner and outer sides respectively, as these are the planes of maximum stretch during vibration and thus provide the largest sensing signal. In other words, the tuning fork performs a dual function of wobbling and sensing. The obvious advantage of this design is that a separate wobble block as shown in Figure 3 can be dispensed with, which in turn results in an even more compact and simple NSOM. In this design, it is desirable to keep the wobbling drive circuit and the sensing circuit as physically far apart as possible to avoid capacitive coupling between the two. In fact, the coupling between the circuits should ideally be entirely piezoelectric.
Die Konstruktion der Stimmgabel 5 selbst ist auch maßgebend für die Leistung eines erfindungsgemäßen NSOM und wird nun genauer erklärt. Sowohl die Abmessungen als auch die Materialeigenschaften sind wichtig. Eine ideale Stimmgabel für NSOM Anwendungen hätte eine hohe Resonanzfrequenz, um schnelles Rastern von Proben zu erlauben, eine niedrige Zinkensteifigkeit d.h. Federkonstante und würde eine große piezoelektrische Reaktion auf eine kleine Deformation hervorrufen.The design of the tuning fork 5 itself is also crucial for the performance of an NSOM according to the invention and will now be explained in more detail. Both the dimensions and the material properties are important. An ideal tuning fork for NSOM applications would have a high resonance frequency to allow fast scanning of samples, a low tine stiffness i.e. spring constant and would produce a large piezoelectric response to a small deformation.
Die für die Konstruktion einer Stimmgabel für solche Anwendungen wichtigen Parameter sind die Abmessungen der Zinken 30, 3I1 nämlich deren Länge T, Breite 'w' und Dicke 't', und die Eigenschaften des benutzten Materials, nämlich dasThe parameters important for the design of a tuning fork for such applications are the dimensions of the tines 30, 3I 1 , namely their length T, width 'w' and thickness 't', and the properties of the material used, namely the
Elastizitätsmodul &Eacgr;', die Dichte &rgr;, der piezoelektrische Spannungstensor dy und die Kristallachsen, entlang derer die Stimmgabel ausgebildet ist.Elastic modulus �E', density ρ, piezoelectric stress tensor dy and the crystal axes along which the tuning fork is formed.
Bei der Anwendung von Quarz stellen die in den Rguren gezeigten Richtungen X und Y die 'a' und 'c' Achsen der hexagonalen Gitterbasis von Quarz dar (unter Benutzung üblicher Schreibweise).In the application of quartz, the X and Y directions shown in the figures represent the 'a' and 'c' axes of the hexagonal lattice basis of quartz (using standard notation).
Ein zweckmäßiger Anfangspunkt zur Bestimmung der Abmessungen der Stimmgabel ist die Auswahl eines gewünschten Wertes für die Frequenz 'f. Typischerweise ist eine Frequenz von 10 bis 100 kHz ein guter Kompromiß zwischen Auflösung und Rastergeschwindigkeit. Diese Auswahl ist jedoch extrem anwendungsbedingt.A convenient starting point for determining tuning fork dimensions is to select a desired value for the frequency 'f. Typically, a frequency of 10 to 100 kHz is a good compromise between resolution and scanning speed. However, this selection is extremely application dependent.
Bei manchen Forschungsanwendungen wird es beispielsweise akzeptabel sein, viele Stunden auf ein einzelnes Bild zu warten, wohingegen eine schnelle Messung innerhalb von Minuten für eine kommerzielle Produktionsumgebung wünschenswert wäre. Weiterhin kann die Gesamtgröße eines typischen Bildes sehr unterschiedlich sein, so daß sich die Anzahl der Bildeiemente auch entsprechend über Größenordnungen verändern kann.For example, in some research applications it will be acceptable to wait many hours for a single image, whereas a fast measurement within minutes would be desirable for a commercial production environment. Furthermore, the overall size of a typical image can vary greatly, so the number of image elements can also vary accordingly over orders of magnitude.
Eine gewünschte Steifigkeit 'k^' bei Resonanz sollte für die Zinken gewählt werden. Ein Wert für 'k^' in der Größenordnung von 1 Newton pro Meter oder weniger ist im Allgemeinen wünschenswert. Dieser Wert wird gewählt, da die typische effektive Federkonstante für ein in einem Festkörper gebundenes Atom in der Größenordnung von 10 Newton pro Meter liegt und, zumindest bei Abbildungsanwendungen will man vermeiden, daß die Spitze Atombindungen im Festkörper bricht. Ein solcher Wert für 'kgjf' stellt au°h sicher, daß die Spitze atomisch scharf bleibt, wenn sie über einer Probenoberfäche rastert und daß sie keinen 'Staub', d.h. Atome der Probe, aufnimmt.A desired stiffness 'k^' at resonance should be chosen for the tines. A value of 'k^' on the order of 1 Newton per meter or less is generally desirable. This value is chosen because the typical effective spring constant for an atom bound in a solid is on the order of 10 Newton per meter and, at least in imaging applications, one wants to avoid the tip breaking atomic bonds in the solid. Such a value of 'kgjf' also ensures that the tip remains atomically sharp when scanning over a sample surface and that it does not pick up 'dust', ie atoms of the sample.
Unter Benutzung der Theorie der elastischen Deformation von Materialien wurden die folgenden Formeln abgeleitet:Using the theory of elastic deformation of materials, the following formulas were derived:
2&pgr;&iacgr;&Lgr;2π&iacgr;&Lgr;
wewe
wobei 'k' die statische Steifigkeit und durch die Gleichung keff=k/Q mit dem vorher genannten 'k^' verwandt ist, wobei 'Q' der Q-Faktor oder die Schärfe der Resonanz ist, was durch das Verhältnis f/Äf der Resonanzfrequenz T und seiner Breite 'Äf definiert ist.where 'k' is the static stiffness and is related to the aforementioned 'k^' by the equation ke ff =k/Q, where 'Q' is the Q-factor or the sharpness of the resonance, which is defined by the ratio f/Äf of the resonance frequency T and its width 'Äf.
Aus der vorstehenden Formel wird klar, daß die Länge T durch die Materialparameter E und &rgr; und die gewünschten Rastereigenschaften f und k fixiert ist.From the above formula it is clear that the length T is fixed by the material parameters E and ρ and the desired grid properties f and k.
Das durch die Deformation der Stimmgabel induzierte elektrische Feld ist auch ein wichtiger Parameter und wird jetzt diskutert. Der folgende Ausdruck wurde für das lokale elektrische Feld 'F hergeleitet, das an jedem Punkt (y,z) in der durch die Kontaktelektroden 40, 41 definierten Ebene (Y,Z) den Wert '5F aufweist:The electric field induced by the deformation of the tuning fork is also an important parameter and is now discussed. The following expression was derived for the local electric field 'F, which has the value '5F at every point (y,z) in the plane (Y,Z) defined by the contact electrodes 40, 41:
wobei 'du' die longitudinaie piezoelektrische Konstante des Kristalls, '&egr;0' die dielektrische Konstante im Vakuum und 'ss' die statische relative dielektrische Konstante des piezoelektrischen Materials ist. Dabei wurde angenommen, daß der piezoelektrische Kristall eine trigonale oder hexagonale Symmetrie aufweist. Entsprechende Ausdrücke können aber auf analoge Weise für andere Kristallklassen hergeleitet werden.where 'du' is the longitudinal piezoelectric constant of the crystal, 'ε 0 ' is the dielectric constant in vacuum and 's s ' is the static relative dielectric constant of the piezoelectric material. It was assumed that the piezoelectric crystal has a trigonal or hexagonal symmetry. However, corresponding expressions can be derived in an analogous manner for other crystal classes.
Nun kann die Abtastsignalspannung durch das über die Breite 'w' abfallende Potential approximiert werden, das durch das elektrische Feld, welches unter der Gesamtfläche jeder Kontaktelektrode gemittelt wird, verursacht wird. Sie ist gegeben durch:Now the scanning signal voltage can be approximated by the potential falling across the width ‘w’ caused by the electric field averaged over the total area of each contact electrode. It is given by:
• ··
• ··
Aus der vorstehenden Formel wird ersichtlich, daß die Breite V der Stimmgabel in einem gewissen Rahmen frei gewählt werden kann. In den bisher beschriebenen Ausführungsformen wurde 'w' so gewählt, daß eine typische wobbelinduzierte Verschiebung von 0,1 Nanometer eine induzierte Spannung der Größe von Mikrovolt zur Folge hat. Mit einer Spannung dieser Größe kann das Abtastsignal einwandfrei mit üblichen Instrumenten gemessen werden. Die Größe der Spannung bedeutet auch, daß typische interferenzquellen keine Schwierigkeiten bereiten.From the above formula it is clear that the width V of the tuning fork can be freely chosen within a certain range. In the embodiments described so far, 'w' was chosen so that a typical wobble-induced displacement of 0.1 nanometer results in an induced voltage of the order of microvolts. With a voltage of this magnitude, the sampling signal can be measured perfectly with conventional instruments. The magnitude of the voltage also means that typical sources of interference do not cause any problems.
Die Konstruktionsformeln für andere gekoppelte Oszillatoranordnungen, insbesondere die, für die nur ein einzelner Teil piezoelektrischen Materials benutzt werden kann, sind auf analoge Weise leicht herleitbar.The design formulas for other coupled oscillator arrangements, especially those for which only a single piece of piezoelectric material can be used, can be easily derived in an analogous manner.
Es werden im folgenden zwei Beispiele für Stimmgabel umfassende Sondenköpfe näher beschrieben.Two examples of tuning fork probe heads are described in more detail below.
Eine Quarzplatte wird mit einer Dicke von 100 Mikrometer und einer Orientierung von (XYt)-5° gewählt, wobei diese Bezeichnung der IEEE Norm für Piezoelektrizität ANSI/IEEE Norm 176 (1987) entspricht. Eine solche Orientierung ergibt eine hohe Signalempfindlichkeit. Eine Stimmgabelform wird aus dieser Quarzplatte mit den Abmessungen: w=100 Mikrometer, t=300 Mikrometer und 1=2,75 Millimeter herausgeschnitten. Die Materialparameter betragen E=6xlO10 N/m2, p=2650 kg/m3 und d11=2,31xl012 Coulomb pro Newton.A quartz plate is chosen with a thickness of 100 micrometers and an orientation of (XYt)-5°, this designation corresponding to the IEEE standard for piezoelectricity ANSI/IEEE Standard 176 (1987). Such an orientation results in high signal sensitivity. A tuning fork shape is cut out of this quartz plate with the dimensions: w=100 micrometers, t=300 micrometers and 1=2.75 millimeters. The material parameters are E=6xlO 10 N/m 2 , p=2650 kg/m 3 and d 11 =2.31xl0 12 Coulomb per Newton.
Die resultierende Gabel besitzt eine Frequenz, f= 30000 Hz und Iw=I N/m. Nach Herstellung des Sondenkopfes, d.h. nach Klebung der optischen Faser an die Stimmgabel, wurde eine Schärfe von Q=2000 erhalten. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung kann gegebenfalis verwendet werden, um Q von seinem nach der Herstellung gegebenen, anfänglichen Wert auf einen niedrigeren, vorbestimmten Wert zu reduzieren.The resulting fork has a frequency f=30000 Hz and Iw=1 N/m. After manufacturing the probe head, i.e. after bonding the optical fiber to the tuning fork, a sharpness of Q=2000 was obtained. The manufacturing process according to the invention can optionally be used to reduce Q from its initial value given after manufacture to a lower, predetermined value.
Es ist die optische Faser 20, daß in erste Linie die Verringerung des Q-Faktors des Sondenkopfes von dem Wert der einfachen Stimmgabel verursacht. Folglich nähert sich für AFM Anwendungen, in denen keine optische Faser nötig ist, der Q-Faktor des Sondenkopfes dem der freien Stimmgabel und kann einen Wert von Q=10.000 oder mehr in der Luft aufweisen.It is the optical fiber 20 that primarily causes the reduction of the Q factor of the probe head from that of the simple tuning fork. Consequently, for AFM applications where no optical fiber is required, the Q factor of the probe head approaches that of the free tuning fork and can have a value of Q=10,000 or more in air.
Die Empfindlichkeit der Stimmgabel kann durch die an den Kontakten durch eine Inkrementaldeformation am Ende des Zinkens der Stimmgabel induzierte Spannung spezifiziert werden. Die beispielhafte Stimmgabel besitzt einen Wert von 6V/5t=93 Millivolt pro Nanometer.The sensitivity of the tuning fork can be specified by the voltage induced at the contacts by an incremental deformation at the end of the tine of the tuning fork. The example tuning fork has a value of 6V/5t=93 millivolts per nanometer.
Eine typische, durch die Wobbeimittel erzeugte Deformationsgröee an den Zinkenenden beträgt 5 Pikometer. Dies entspricht einer induzierten piezoelektrischen Spannung an den Kontakten 40, 41 von ca. 10 Mäkrovoit. Hierbei wurde angenommen, daß die Spannung als das Abtastsignal benutzt wird. Jedoch können andere Abtastsignale, beispielsweise die Impedanz, verwendet werden.A typical amount of deformation at the tine ends caused by the wobble means is 5 picometers. This corresponds to an induced piezoelectric voltage at the contacts 40, 41 of approximately 10 microvolts. It has been assumed here that the voltage is used as the sensing signal. However, other sensing signals, such as impedance, can be used.
Zum besseren Verständnis des Abtastsignals wird auf die Figur 4 verwiesen. Die Figur 4 zeigt auf stark übertriebene Art die piezoelektrisch induzierte Ladungsverteilung über die Zinken einer Stimmgabel bei verschiedenen Deformationen. Figur 4A zeigt die Verteilung für Nullbiegung, d.h. im Ruhezustand. Figur 4B zeigt die Situation für eine gleiche und entgegengesetzte Biegung der zwei Zinken der Stimmgabel, wie sie auftritt, wenn die Stimmgabel mit ihrer primären Resonanzfrequenz getrieben d.h. gewobbelt wird. Figur 4C zeigt die Situation, wenn sich die zwei Zinken zusammen biegen.For a better understanding of the sampling signal, reference is made to Figure 4. Figure 4 shows, in a highly exaggerated manner, the piezoelectrically induced charge distribution over the tines of a tuning fork at different deformations. Figure 4A shows the distribution for zero bending, i.e. at rest. Figure 4B shows the situation for equal and opposite bending of the two tines of the tuning fork, as occurs when the tuning fork is driven at its primary resonance frequency, i.e. wobbled. Figure 4C shows the situation when the two tines bend together.
Wenn zum Beispiel die Kontaktanordnung der Figur 7A benutzt wird, beträgt das Abtastsignai fast Null für gleiche und entgegengesetzte Biegung (Figur 4B), da sich die Beiträge von den zwei Kontakten aufheben. Das Abtastsignai steigt dann als Reaktion auf nichtspiegeisymmetrische Verformung der Zinken 30, 31 an. Eine solche nichtspiegeisymmetrische Verformung wird durch die Wechselwirkung zwischen Probe und Spitze erzeugt, da die Wechselwirkung überwiegend denjenigen Zinken dämpft, an welchem die Spitze angebracht ist. Mit einer solchen Kontaktanordnung ist das SignalFor example, when the contact arrangement of Figure 7A is used, the sensing signal is almost zero for equal and opposite bending (Figure 4B) because the contributions from the two contacts cancel. The sensing signal then increases in response to non-mirrored deformation of the tines 30, 31. Such non-mirrored deformation is produced by the interaction between sample and tip, since the interaction predominantly attenuates the tine to which the tip is attached. With such a contact arrangement, the signal is
daher ein Maß der differentielien Biegung der zwei Zinken, wobei das maximaie Signal bei exakt gleicher Biegung der Zinken auftritt, wie in Figur 4C gezeigt ist. Es ist dieser Mechanismus, der für die Kopplung der mechanischen Oszillationen der zwei Zinken verantwortlich ist, was wiederum der Grund für die großen Q-Faktoren ist. Das Abtastsignal wird typischerweise dazu benutzt, die Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe beim Rastern auf einem konstanten Niveau zu halten, indem es geeigneter Regelungssoftware bzw. -hardware zugeleitet wird.hence a measure of the differential bending of the two tines, with the maximum signal occurring at exactly the same bending of the tines, as shown in Figure 4C. It is this mechanism that is responsible for the coupling of the mechanical oscillations of the two tines, which in turn is the reason for the large Q factors. The scanning signal is typically used to keep the interaction between tip and sample at a constant level during scanning by feeding it to suitable control software or hardware.
Quarzstimmgabeln werden für die Elektronikindustrie massenproduziert. Quarzstimmgabeln mit einer Hauptoszillationsfrequenz f=215=32768 Hertz sind leicht erhältlich. Eine solche Stimmgabel wurde zum Bau eines erfindungsgemäßen NSOM verwendet. Die Stimmgabel hat die Abmessungen: 1=3,9 Millimeter, t=600 Mikrometer und w=400 Mikrometer. Im fertigen NSOM hatte der Sondenkopf einen Gütefaktor von Q=3000. Dies hat einen zweckmäßigen Wert für die Steifigkeit von =7 N/m zur Folge.Quartz tuning forks are mass produced for the electronics industry. Quartz tuning forks with a main oscillation frequency f=2 15 =32768 Hertz are readily available. Such a tuning fork was used to build an NSOM according to the invention. The tuning fork has the dimensions: l=3.9 millimeters, t=600 micrometers and w=400 micrometers. In the finished NSOM, the probe head had a quality factor of Q=3000. This results in a convenient value for the stiffness of =7 N/m.
Figur 8 zeigt das Signal als eine Funktion der Wobbeifrequenz für eine Ausführungsform, in der ein Sondenkopf mit einer Stimmgabel gemäß Figur 7B benutzt wird. Die Stimmgabel ist an einem wie im Zusammenhang mit Figur 3 beschriebenen keramischen Wobbelblock 50 befestigt. Eine optische Faser 20 ist an der Stimmgabel auf die in z.B. Figur 3 gezeigte Art befestigt.Figure 8 shows the signal as a function of sweep frequency for an embodiment using a probe head with a tuning fork as shown in Figure 7B. The tuning fork is attached to a ceramic sweep block 50 as described in connection with Figure 3. An optical fiber 20 is attached to the tuning fork in the manner shown in Figure 3, for example.
Das gemessene Signal ist die Amplitude der Wechselspannung, die von den Kontakten 40, 41 abgetastet oder aufgenommen wurde, wobei dieses Signal durch die Biegung der Stimmgabelzinken gemäß Figur 4 induziert ist.The measured signal is the amplitude of the alternating voltage sensed or picked up by the contacts 40, 41, this signal being induced by the bending of the tuning fork tines as shown in Figure 4.
In Figur 8A wird das Abtastsignal gemessen, während die Wobbeifrequenz verändert wird. Die Messung wurde in der Luft durchgeführt, wobei sich die Spitze fern jeglicher Probe befand, d.h. beim Fehlen der Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe. In der Figur stellen die Punkte gemessene Daten dar, während die Linien aus einemIn Figure 8A, the scanning signal is measured while the sweep frequency is changed. The measurement was performed in air with the tip away from any sample, i.e. in the absence of tip-sample interaction. In the figure, the dots represent measured data, while the lines are from a
angetriebenen harmonischen Oszillatormodel errechnet und gefittet wurden. Die Resonanzfrequenz wurde als 33683 Hertz und der Q-Faktor als 1410 gemessen. Die Frequenzauflösung beträgt 1,94 Hertz. Ein Maximalsignal von ca. 7,5 Mikrovolt wurde gemessen.driven harmonic oscillator model were calculated and fitted. The resonance frequency was measured as 33683 Hertz and the Q factor as 1410. The frequency resolution is 1.94 Hertz. A maximum signal of approximately 7.5 microvolts was measured.
Bei Untersuchungen hat sich herausgestellt, daß die freie Länge 'p' des Vorstehens der Spitze vorteilhaft so zu wählen ist, daß die Resonanzfrequenz dieses freien Endes höher als die der Stimmgabel ist. Dies stellt sicher, daß Spitze-Probe Wechselwirkungskräfte wirksam zum relevanten Zinken der Stimmgabel übertragen werden. Diese Anforderung wird dadurch erreicht, indem die Länge 'p' genügend kurz gemacht wird. Zum Beispiel wird ein 'p' von weniger als 1 Millimeter für eine optische Faser mit einem Durchmesser von 100 Mikrometer vorgezogen.Investigations have shown that it is advantageous to choose the free length 'p' of the tip projection so that the resonant frequency of this free end is higher than that of the tuning fork. This ensures that tip-sample interaction forces are effectively transmitted to the relevant tine of the tuning fork. This requirement is met by making the length 'p' sufficiently short. For example, a 'p' of less than 1 millimeter is preferred for an optical fiber of 100 micrometers diameter.
Figur 8B zeigt die Wirkung der Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe auf die Sondenkopfreaktion. Der höchste, schärfste Spitzenwert entspricht der in Figur 8A gezeigten Situation, wenn nämlich keine Wechselwirkung zwischen Probe und Spitze vorhanden ist. Die Reaktion wird dann mit progressiv zunehmender Wechselwirkung gemessen. In der Figur von rechts nach links wurde die Spitze-Probe Reibungskraft oder 'Reibung' bei 0, 0,6, 1,2 und 3 Nanonewton gemessen, wodurch die Oszillationen zunehmend stark gedämpft werden. Die Punkte stellen gemessene Daten dar, während die Linien aus einem angetriebenen harmonischen Osziliatormodel errechnet und gefittet wurden. Die Frequenzaufiösung beträgt 1,94 Hertz.Figure 8B shows the effect of tip-sample interaction on the probe head response. The highest, sharpest peak corresponds to the situation shown in Figure 8A, when there is no sample-tip interaction. The response is then measured with progressively increasing interaction. In the figure from right to left, the tip-sample friction force or 'friction' was measured at 0, 0.6, 1.2 and 3 nanonewtons, which progressively dampen the oscillations. The dots represent measured data, while the lines are calculated and fitted from a driven harmonic oscillator model. The frequency resolution is 1.94 hertz.
Heiraus wird ersichtlich, daß das Signal, gemessen bei der Maximalfrequenz für keine Wechselwirkung, die in der Figur 8B ca. 31.700 Hz beträgt, empfindlich auf die Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe reagiert. Zusätzlich wird die durch die Reibungskraft verursachte Frequenzverschiebung der Reaktionsspitze von einer Abnahme des Q-Faktors begleitet, so daß das Signal, gemessen bei der Maximalfrequenz für keine Wechselwirkung, über einen weiten Bereich der Spitze-Probe Reibungskraft meßbar bleibt. Folglich ist für ein erfindungsgemäßes NSOM ein einfaches Wobbeltreibersignal mit konstant gehaltener Frequenz in vielen Fällen völlig ausreichend, d.h. in den meisten Fällen ist es nicht notwendig, die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz auf die Stärke der Wechselwirkung zu berücksichtigen.It can be seen that the signal measured at the maximum frequency for no interaction, which in Figure 8B is approximately 31,700 Hz, is sensitive to the interaction between tip and sample. In addition, the frequency shift of the response peak caused by the friction force is accompanied by a decrease in the Q factor, so that the signal measured at the maximum frequency for no interaction remains measurable over a wide range of the tip-sample friction force. Consequently, for an NSOM according to the invention, a simple sweep drive signal with a constant frequency is in many cases completely sufficient, i.e. in most cases it is not necessary to take into account the dependence of the resonance frequency on the strength of the interaction.
Im typischen Betrieb wird das Signal dazu benutzt, einen konstanten Abstand zwischen Spitze und Probe zu wahren. Regelungsabstände im Bereich von 0 bis 200 Nanometer sind üblich.In typical operation, the signal is used to maintain a constant distance between the tip and sample. Control distances in the range of 0 to 200 nanometers are common.
Figur 8C zeigt die Wirkung, die das Kleben der optischen Faser an die Stimmgabel auf die Osziliatoreigenschaften hat. Der rechte Scheitel zeigt die Stimmgabelreaktion vor dem Kleben der Faser an die Stimmgabel. Das Meßsystem war nicht genau genug, den Q-Faktor oder den wahren Maximalsignaiwert zu messen, da die Resonanz zu spitz ist. Jedoch konnte festgestellt, daß der Q-Faktor mindestens 5000 beträgt, wobei dies wahrscheinlich eine beträchtliche Unterschätzung darstellt. Der linke Scheitel zeigt eine gleichartige Reaktion nach dem Kleben der Faser an die gleiche Stimmgabel, d.h. in einem zusammengesetzten Sondenkopf. Der Q-Faktor ist auf einen Wert von 3560 gefallen. Die Frequenzauflösung beträgt 1,94 Hertz.Figure 8C shows the effect that bonding the optical fiber to the tuning fork has on the oscillator properties. The right vertex shows the tuning fork response before bonding the fiber to the tuning fork. The measurement system was not accurate enough to measure the Q factor or the true maximum signal value because the resonance is too sharp. However, the Q factor was found to be at least 5000, although this is probably a significant underestimate. The left vertex shows a similar response after bonding the fiber to the same tuning fork, i.e. in a composite probe head. The Q factor has dropped to a value of 3560. The frequency resolution is 1.94 hertz.
Die übliche Weise zur Regulierung des Abstands zwischen Probe und Spitze in NSOM ist die Benutzung der Signalampiitude in einer Rückkopplungsschleife mit einem, den Spitze-Probe-Abstand steuernde piezoelektrischen Verschieber. Eine solche Betriebsart ist auch für ein erfindungsgemäßes NSOM geeignet.The usual way to regulate the distance between sample and tip in NSOM is to use the signal amplitude in a feedback loop with a piezoelectric shifter controlling the tip-sample distance. Such an operating mode is also suitable for an NSOM according to the invention.
Jedoch wurde noch eine andere Weise zur Regulierung des Abstands zwischen Probe und Spitze entwickelt, die nun näher im Zusammenhang mit einer Kontaktanordnung gemäß Figur 7A beschreiben wird. Die Stimmgabel, oder genauer gesagt, der Sondenkopf, da sich die Resonanzfrequenz von kombinierter Stimmgabel und Spitzenstück von der der freien oder nackten Stimmgabel unterscheidet, wird durch das Anlegen einer Wechselspannung der passenden Frequenz über die Kontakte 44, 45 zur Resonanz getrieben.However, another way of regulating the distance between sample and tip has been developed, which will now be described in more detail in connection with a contact arrangement according to Figure 7A. The tuning fork, or more precisely the probe head, since the resonant frequency of the combined tuning fork and tip piece is different from that of the free or bare tuning fork, is driven to resonance by the application of an alternating voltage of the appropriate frequency across the contacts 44, 45.
Die Reaktion einer Stimmgabel kann als das elektrische Äquivalent einer Kapazität betrachtet werden, die seriell mit einer Kapazität, einer Induktanz und einem Widerstand geschaltet ist. Zusätzlich erreicht diese Impedanz ein Maximum bei der Resonanzfrequenz der Stimmgabel. Da sich die Wechselwirkung zwischen Spitze undThe response of a tuning fork can be considered as the electrical equivalent of a capacitance connected in series with a capacitance, an inductance and a resistance. In addition, this impedance reaches a maximum at the tuning fork’s resonance frequency. Since the interaction between tip and
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Probe auf die Deformation der Stimmgabel auswirkt und gemäß beispielsweise Figur 8B das Verstimmen induziert, reagiert die Messung der Impedanz der Stimmgabel empfindlich auf die Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe. Somit ist es möglich, die Impedanz zum Regulieren des Abstands zwischen Probe und Spitze zu benutzen. Der Abstand zwischen Probe und Spitze kann beispielsweise an einem Wertgehalten, dem einen bestimmten Impedanzwert entspricht.sample affects the deformation of the tuning fork and induces detuning as shown for example in Figure 8B, the measurement of the impedance of the tuning fork is sensitive to the interaction between the tip and the sample. Thus it is possible to use the impedance to regulate the distance between the sample and the tip. The distance between the sample and the tip can for example be kept at a value that corresponds to a certain impedance value.
Ein NSOM mit einer Kontaktanordnung gemäß Figur 7C kann durch das Anlegen an die Kontakte 44, 45 eines das Wobbein treibenden, aus einem nicht gezeigten, externen Treiberschaltkreis stammenden, wechseistromigen Eingangssignals mit einer nahe der Resonanzfrequenz der Stimmgabel liegenden Frequenz gewobbeit werden.An NSOM with a contact arrangement according to Figure 7C can be swept by applying to the contacts 44, 45 an AC input signal driving the wobbler, originating from an external driver circuit (not shown), with a frequency close to the resonant frequency of the tuning fork.
Jedoch wurde noch eine andere Weise zum Erzeugen der Wobbeibewegung für ein NSOM entwickelt, die eine Kontaktanordnung gemäß Figur 7C benutzt, die nun näher beschrieben wird. Das durch die Abtastelektroden 40, 41 erfaßte schwache piezoelektrische Signal wird einem Spannungsverstärker 46 mit einstellbarer Verstärkung und/oder Phase zugeleitet. Die Ausgabe des Verstärkers wird zurück zu den Kontakten 44, 45 geleitet, was zur Folge hat, daß die Gabel mit ihrer Eigenfrequenz vibriert. Die Abstimmkraft wird somit als eigener Oszillator benutzt. Die Verstärkung und Phase des Verstärkers werden so eingestellt, daß sich das Signal selbst in einer geschlossenen Schleife speist.However, another way of generating the wobble motion for an NSOM has been developed using a contact arrangement as shown in Figure 7C, which will now be described in more detail. The weak piezoelectric signal detected by the sensing electrodes 40, 41 is fed to a voltage amplifier 46 with adjustable gain and/or phase. The output of the amplifier is fed back to the contacts 44, 45, causing the fork to vibrate at its natural frequency. The tuning force is thus used as its own oscillator. The gain and phase of the amplifier are adjusted so that the signal feeds itself in a closed loop.
Diese Art des Erzeugens der Wobbeibewegung ist besonders vorteilhaft, wenn die Resonanzschärfe 'Q' einige Tausend übersteigt, da es dann zunehmend schwieriger wird, eine externe Treiberfrequenz der der Stimmgabel anzupassen. Temperatur- oder Druckveränderungen sowie Änderungen der Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe beispielsweise gemäß Figur 8B können dann eine Verschiebung der Resonanzfrequenz von störender Größe verursachen. Zusätzlich können die Reaktionszeiten für ein solches System geringer als die Oszillationsperiode 1/f gestaltet werden, um ein schnelles Rastern zu ermöglichen.This way of generating the wobble motion is particularly advantageous when the resonance sharpness 'Q' exceeds a few thousand, as it then becomes increasingly difficult to match an external drive frequency to that of the tuning fork. Temperature or pressure changes, as well as changes in the interaction between tip and sample, for example as shown in Figure 8B, can then cause a shift in the resonance frequency of a disturbing magnitude. In addition, the response times for such a system can be made less than the oscillation period 1/f to enable rapid scanning.
Die Figuren 5 und 6 zeigen zwei weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen NSOM. Für analoge Teile wurden die gleichen Bezugszeichen wie in den Figuren 3 und 7 beibehalten. Es werden nur einige der Hauptteile gezeigt, da diese Figuren hauptsächlich dazu gedacht sind, die relevanten Prinzipien zu zeigen.Figures 5 and 6 show two further embodiments of NSOM according to the invention. For analogous parts, the same reference numerals as in Figures 3 and 7 have been retained. Only some of the main parts are shown, since these figures are mainly intended to illustrate the relevant principles.
Die Figur 5 zeigt eine Ausführungsform, die eine optische Faser 20 gemäß Figur 3, jedoch eine gekoppelte Oszillatoranordnung mit Doppelbimorph beinhaltet. Jeder Arm ist ein Bimorphbalken, der einen ersten Streifen 30a bzw. 31a einer Art von piezoelektrischem Material umfaßt, das mit einem zweiten Streifen 30b bzw. 31b eines piezoelektrischen Materials zusammengeklebt ist. Die einzelnen Arme sind durch elektrisch leitende Drähte (gestrichelte Linien) verbunden, die dazu dienen, die mechanischen Oszillationen der jeweiligen Arme zu koppeln. Abtastkontakte sind nicht gezeigt, um die Figur nicht zu überladen. In dieser Ausführungsform wird der Wobbelblock 50 unterhalb der Probe S angeordnet, und das Teil 60, das die Bimorphe zusammen hält, ist ein einfacher Montageblock. Die relative Bewegung zwischen Spitze und Probe wird also in dieser Ausführungsform durch das Vibrieren der Probe (und nicht der Spitze) erzeugt. Eine solche Anordnung ist besonders für einen Betriebsmodus geeignet, bei dem beim Fehlen der Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe, die Arme 30, 31 still bleiben, wohingegen die Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe das Überschwingen der Arme verursacht, d.h. sie zum Oszillieren bringt. Um dies zu erreichen, sollte die Wobbeifrequenz an die natürliche Oszillationsfrequenz der gekoppelten Oszillatoranordnung angepaßt werden.Figure 5 shows an embodiment which includes an optical fiber 20 according to Figure 3, but a double bimorph coupled oscillator arrangement. Each arm is a bimorph bar comprising a first strip 30a or 31a of some kind of piezoelectric material glued together with a second strip 30b or 31b of piezoelectric material. The individual arms are connected by electrically conductive wires (dashed lines) which serve to couple the mechanical oscillations of the respective arms. Sensing contacts are not shown in order not to clutter the figure. In this embodiment, the wobble block 50 is placed below the sample S and the part 60 which holds the bimorphs together is a simple mounting block. The relative motion between tip and sample is thus generated in this embodiment by the vibration of the sample (and not the tip). Such an arrangement is particularly suitable for an operating mode in which, in the absence of interaction between tip and sample, the arms 30, 31 remain still, whereas the interaction between tip and sample causes the arms to overshoot, i.e., causes them to oscillate. To achieve this, the sweep frequency should be adapted to the natural oscillation frequency of the coupled oscillator arrangement.
Die Figur 6 zeigt eine Ausführungsform, die eine optische Faser 20 beinhaltet, die an den piezoelektrischen Arm 30 gemäß Figur 3 geklebt ist. Der Arm 30 besteht aus einem einzigen Stück piezoelektrischen Materials. Dies ist der erste Oszillator 30. Anstatt ein zweites Teil piezoelektrischen Materials zum Ausbilden des zweiten Oszillators zu benutzen, ist ein elektrischer Oszillatorschaltkreis 31 vorgesehen. Die zwei Oszillatoren 30, 31 sind durch elektrisch leitende Drähte (gestrichelte Linien) verbunden, die dazu dienen, die mechanischen Oszillationen des Arms 30 und die elektrischen Oszillationen im Schaltkreis 31 zu koppeln. Die Abtastkontakte 40, sind gezeigt. Eine vergleichbare Ausführungsform könnte so hergestellt werden, daßFigure 6 shows an embodiment which includes an optical fiber 20 bonded to the piezoelectric arm 30 of Figure 3. The arm 30 is made from a single piece of piezoelectric material. This is the first oscillator 30. Instead of using a second piece of piezoelectric material to form the second oscillator, an electrical oscillator circuit 31 is provided. The two oscillators 30, 31 are connected by electrically conductive wires (dashed lines) which serve to couple the mechanical oscillations of the arm 30 and the electrical oscillations in the circuit 31. The sensing contacts 40, are shown. A comparable embodiment could be made so that
der erste Oszillator ein Bimorph und nicht ein einzelnes Stück piezoelektrischen Materials ist.the first oscillator is a bimorph and not a single piece of piezoelectric material.
Die Figuren zeigen weiterhin, daß verschiedene Kombinationen individueller Merkmale in großem Umfang frei gewählt werden können, und daß die bis hier beschriebenen Kombinationen auf keinen Fall die einzig möglichen sind.The figures further show that different combinations of individual characteristics can be freely chosen to a large extent, and that the combinations described up to this point are by no means the only possible ones.
1919
Claims (18)
eine Länge von vorzugsweise weniger als 1 Millimeter, insbesondere um eine
Länge zwischen 0,5 und 1,0 Millimeter hinausragt.16. Probe head according to claim 13, 14 or 15, characterized in that the near-field optical probe tip (20) extends beyond the end of the first prong (30) by
a length of preferably less than 1 millimetre, in particular a
Length between 0.5 and 1.0 millimeters.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| GB9409414A GB2289759B (en) | 1994-05-11 | 1994-05-11 | Coupled oscillator scanning imager |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE29521543U1 true DE29521543U1 (en) | 1997-07-17 |
Family
ID=26013590
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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Country Status (1)
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|---|---|
| DE (1) | DE29521543U1 (en) |
-
1995
- 1995-03-22 DE DE29521543U patent/DE29521543U1/en not_active Expired - Lifetime
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| R081 | Change of applicant/patentee |
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