WO2020232491A1 - Cantilever for an atomic force microscope - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a cantilever for an atomic force microscope, the cantilever having a base body which can be excited in at least one frequency by an external periodic force provided by an excitation device, the base body in the vibrating state in a resonance frequency of a predetermined two-dimensional vibration mode oscillates so that the oscillating base body has a first dynamic spring constant.
- the invention also relates to an atomic force microscope and a use of one
- Atomic Force Microscopy is a widespread technology for the topographical investigation and material characterization of
- the object of the present invention is to create a cantilever which eliminates the disadvantages of the prior art.
- the cantilever has a beam element which is attached to a
- Attachment point of the base body is attached to the base body, wherein a first portion of the bar element protrudes over an edge of the base body, wherein the bar element has a measuring tip, which is preferably orthogonal to the
- Bar element protrudes and is arranged on the first section of the bar element, which protrudes over the edge of the base body, wherein in the oscillating state of the Base body, the beam element is set in motion by the vibration of the base body, the moving beam element having a second dynamic spring constant, the base body oscillating at a resonance frequency and the moving beam element forming a coupled oscillating system.
- the coupled oscillating system which is formed from the base body and the beam element attached to it, can have a dynamic spring constant which is in particular smaller than the first and the second dynamic spring constant.
- the spring constant that an oscillating system has is called the dynamic spring constant.
- the base body and the beam element preferably differ both in their dimensions and in their material parameters.
- the base body is preferably plate-shaped or a plate element which can have a rectangular, square or trapezoidal shape, the plate element having a greater length, width and thickness compared to the beam element.
- the beam element is in particular shorter, narrower and thinner than the base body.
- the base body is preferably larger in its dimensions and more rigid in its elastic properties than the beam element.
- the beam element is preferably smaller in its dimensions and softer in its elastic properties than the base body.
- the base body can be excited in two-dimensional oscillation modes, which, compared to a simple one
- the base body can contain a great deal of elastic energy (in relation to Euler-Bernoulli modes with a comparable maximum frequency of the spatial mode modulation), but this also increases the dynamic spring constant of the base body. If the base body vibrates at a resonance frequency, the beam element coupled to the base body has a smaller dynamic spring constant compared to the base body. By coupling the base body with the beam element, which is much smaller relative to the base body, the beam element can be excited or moved at high frequencies, on the one hand, and, on the other hand, have a lower dynamic spring constant compared to the base body.
- the cantilever according to the invention can thus be used for high scanning or
- the base body preferably oscillates at a high rate during a measurement
- the term “quasi-static” is to be understood in such a way that the bar element preferably does not vibrate in resonance, whereby its dynamic spring constant is correspondingly low.
- the bar element can, however, also vibrate in resonance.
- the bar element is preferably attached to the base body in such a way that the base body and In other words, a first section of the bar element protrudes over an edge or an edge region of the base body and a second section of the bar element is attached to a surface region of the base body
- the edge area of the base body to which the second section of the beam element is attached is referred to in this context as the overlap area.
- the bar element and the base body each lie in one plane, the two planes being shifted parallel to one another.
- the bar can essentially be used as a
- the beam element also has a measuring tip which can interact with a sample surface during a measurement.
- the measuring tip is preferably on a surface of the first section of the
- the measuring tip can, for example, comprise diamond and be glued to the beam element, or it can be attached to the beam element, for example, by means of focused electron beam induced deposition.
- an excitation device for example, one of the
- Activation device or a piezoelectric layer, which is applied in an integrated manner to the base body, can be provided.
- the main body can comprise a first material and the beam element can comprise a second material, wherein the first and the second material can be different.
- the base body can in particular consist of a material that is more rigid than the beam element.
- the base body can for example comprise silicon or silicon carbide and have a modulus of elasticity between 150 GPa and 600 GPa, preferably between 130 GPa and 170 GPa, particularly preferably 160 GPa.
- the beam element can in particular comprise gold, silver, aluminum, silicon, polymers or titanium and have a modulus of elasticity between 2 GPa and 170 GPa, preferably 70 GPa.
- the modulus of elasticity of the base body and the beam element can be between 0.75 and 300.
- the bar element is preferably at an edge or an edge region of the
- the beam element can be excited to vibrate particularly efficiently.
- Two or more bar elements can also be attached to the base body, each bar element protruding from an edge of the base body.
- the two or more bar elements are preferably each fastened to an edge region which has a maximum deflection in the oscillating state of the base body.
- the two or more beam members are preferably substantially on the
- the base body can preferably be excited in the resonance frequency of at least one two-dimensional oscillation mode, and the beam element can vibrate quasi-statically with the vibrating base body or be excited by the vibrating base body in a resonance frequency of the beam element.
- the beam element can be excited in resonance by the vibration of the base body. This is the case when the
- the resonance frequency of the base body, in which the base body is excited, and a resonance frequency of the beam element overlap.
- the resonance frequency in which the base body is excited is different from a resonance frequency of the beam element is far away in terms of amount, the beam element is not excited resonantly and follows the oscillation of the base body preferably quasi-statically.
- the oscillation mode of the base body can be, for example, a roof-tile-shaped oscillation mode, for example a 12-mode with resonance frequencies between 200 kHz and 2.5 MHz, preferably 700 kHz or 760 kHz or a 14-mode with resonance frequencies between 500 kHz and 5 MHz, preferably 3 MHz or 2.2 MHz.
- the vibration modes in which the base body is excited preferably have a high Q factor and are therefore only weakly damped.
- the main body can have a first dynamic spring constant and the beam element can have a second dynamic spring constant, the first dynamic spring constant
- Spring constant is greater than the second dynamic spring constant.
- the base body can vibrate at a high resonance frequency, the beam element being able to be excited or moved at high frequencies, and at the same time having a lower dynamic spring constant compared to the base body. This enables AFM measurements with a high sampling rate, in particular of soft samples, even in liquid, without the samples or their surface properties being changed by the measurement.
- the length of the base body is preferably 100 ⁇ m to 2000 mhi and the length of the bar element 5 ⁇ m to 50 ⁇ m.
- the length ratio of the base body and the bar element can in particular be greater than 2, preferably greater than 50, particularly preferably greater than 200, even more preferably greater than 300.
- the width of the base body is preferably 100 ⁇ m to 2000 ⁇ m and the width of the bar element 5 ⁇ m to 50 ⁇ m.
- the width ratio of the base body and the bar element can in particular be greater than 2, preferably greater than 50, particularly preferably greater than 200, even more preferably greater than 300.
- the thickness of the base body is preferably 5 ⁇ m to 20 ⁇ m and the thickness of the beam element is 100 nm to 500 nm.
- the thickness of the beam element can also be up to 5 ⁇ m.
- the thickness ratio of the base body and the beam element can in particular greater than 10, preferably greater than 50, particularly preferably greater than 100, even more preferably greater than 150.
- At least one dimension of the base body and a corresponding dimension of the bar element can have a ratio of greater than 2, preferably greater than 50, particularly preferably greater than 100, even more preferably greater than 300, the
- Dimension can be a length, width or thickness or height.
- the base body is preferably designed in the form of a plate, with nodal lines of the vibration being oriented essentially parallel and / or orthogonally to the length of the base body in the vibrating state of the base body.
- the two-dimensional oscillation mode in which the base body is excited during a measurement preferably has parallel and / or orthogonal nodal lines, based on the length of the base body.
- the amplitude of the oscillation is zero along the nodal lines.
- the terms parallel and orthogonal relate to the direction in which the spatial extension of the length of the base body the nodal lines lie.
- the length of the base body is to be understood as the normal distance between a first edge and a second edge opposite the first edge, the beam element preferably being attached to the first edge and the base body, for example, to the base body on the second edge
- Excitation device is attached.
- Orthogonal nodal lines are present when the nodal lines run orthogonally to the longitudinal extent or length of the base body.
- the nodal lines can in particular also have a
- an atomic force microscope comprising at least one cantilever according to the invention, the atomic force microscope being set up to measure a sample material, which preferably comprises an organic or biological sample material, the cantilever scanned the sample in a raster shape during the measurement, so that during the scanning of the Sample material the measuring tip of the
- Beam element interacts with a surface of the sample material, the base body of the cantilever being able to vibrate in at least one during the measurement
- Resonance frequency of the base body is excited, which corresponds to a resonance frequency of a predetermined two-dimensional oscillation mode, so that the oscillating Base body has a first dynamic spring constant, and the beam element is set in motion by the vibration of the base body, the moving
- Beam member has a second dynamic spring constant, the in one
- the body vibrating at the resonance frequency and the moving beam element form a coupled system.
- the beam element can have a piezoelectric layer, wherein the
- the piezoelectric layer can generate a measuring signal. This can be used to analyze the sample surface.
- the measuring tip with the sample material can also be measured optically, preferably with a laser beam focused on the beam element. This enables the movement of the beam element to be recorded and the sample surface to be measured.
- the cantilever according to the invention is built into an atomic force microscope.
- the cantilever and the sample material can be immersed in a liquid, preferably completely, during the measurement. Due to the two-part construction of the cantilever according to the invention, its oscillation in a liquid is less strongly damped than in a conventional oscillating beam, whereby the measurement of the sample material in a liquid is favored. Applications in other, in particular gaseous or supercritical media, are of course also possible.
- FIG. 1 shows a plan view of a schematic representation of a cantilever according to the invention
- FIG. 2 shows a side view of the cantilever according to FIG. 1;
- FIG. 3 is a perspective view of a schematic representation of the cantilever
- Fig. 5-8 different two-dimensional oscillation modes of the base body.
- the figures do not show the components of an atomic force microscope, since the basic designs of an atomic force microscope are well known to those skilled in the art and this disclosure relates primarily to a cantilever. Furthermore, for the sake of clarity, the proportions of the dimensions of the individual components do not correspond to the real dimensional proportions. The figures are therefore to be understood as a strong simplification, which adequately represent the basic principle of the invention.
- Cantilever 1 for an atomic force microscope the canula 1 having a base body 2.
- the base body 2 is plate-shaped and rectangular.
- the cantilever 1 additionally has a beam element 3 which is fastened to the base body 2 at a fastening point 4 of the base body 2.
- a first section 3a of the bar element 3 projects beyond an edge 5 of the base body 2 or projects beyond the edge 5 of the base body 2.
- a second section 3b of the bar element 3 projects beyond an edge 5 of the base body 2 or projects beyond the edge 5 of the base body 2.
- Bar element 3, that section that does not protrude beyond the edge 5, is used to fasten the bar element 3 to the base body 2.
- the top of the second section 3b of the bar element 3 is on the underside of an edge region of the edge 5 of the base body 2 attached.
- the bar element 3 can also be fastened with one of its narrow side surfaces 6 directly to a narrow side surface 7 of the base body 2, so that there is no overlap area between the base body 2 and the beam element 3.
- the beam element 3 has a measuring tip 8 which protrudes orthogonally from the beam element 3 and is arranged on an end region 9 of the first section 3 a of the beam element 3. As can be seen in FIG. 2, the measuring seats 8 are on a
- the base body 2 When measuring a sample material with the cantilever 1, the base body 2 can be excited in a frequency by an external periodic force which is provided by an excitation device (not shown).
- an excitation device not shown.
- Base body 2 is excited in such a way that it is in a vibrating state in a
- the resonance frequency of a given two-dimensional vibration mode oscillates.
- the base body 2 preferably has parallel 10 and orthogonal nodal lines 11 in the oscillating state.
- the preferably plate-shaped base body 2 has a
- the parallel nodal lines 10 preferably run along or parallel to the muzzle of the base body 2 and are accordingly oriented parallel to a lateral edge 2a of the base body.
- the orthogonal nodal lines 11 preferably run along the width of the base body 2 and are accordingly orthogonal to the lateral edge 2a (or parallel to a front edge 2b) of the base body 2.
- An exemplary arrangement of parallel 10 and orthogonal node lines 11 on the base body 2 are shown in fig.
- FIG. 4 is greatly simplified and shows, for example, the base body 2 without a bar element 3.
- FIGS. 5-8 show examples of two-dimensional oscillation modes in which the base body 2 can be excited during a measurement.
- the resonance frequencies of the corresponding vibration modes are also shown.
- the bar element 3 (not shown in FIGS. 5-8) is preferably at an edge region of the edge 5 of the
- Base body 2 attached, which in the vibrating state of the base body 2 has a maximum deflection relative to a non-vibrating rest state of the base body 2. It is also possible for two or more beam structures 3 to be attached to the base body 2, with each beam structure 3 preferably each being one
- the 12 mode at 700 kHz has, for example, an area in which the edge 5 of the base body 2 is maximally deflected, this area corresponding to the center of the front edge 2b of the base body 2. If the 12 mode at 700 kHz is used for the excitation of the
- the beam element 3 is therefore preferably attached in the middle of the front edge 2b.
- the 14 mode at 3.0 MHz (Fig. 6) has several
- Displacement maxima for example at one, several or each
- the beam element 3 can be excited in one of its resonance frequencies by the vibrating base body, or it can follow the vibration of the base body quasi-statically.
- Beam element 3 vibrates in particular in a one-dimensional vibration mode, which can be calculated using beam theory.
- the base body 2 can be made of silicon or silicon carbide, for example, and have a modulus of elasticity of, for example, 160 GPa.
- the beam element 3 can be made of gold, silver, aluminum, silicon, polymers or titanium and have a modulus of elasticity of, for example, 70 GPa.
- the base body 2 can have a first dynamic spring constant and the beam element 3 can have a second dynamic
- the length of the base body 2 can be 100 ⁇ m to 2000 ⁇ m and the length of the bar element 3 can be 5 ⁇ m to 50 ⁇ m.
- the width of the base body 2 can be 100 ⁇ m to 2000 ⁇ m and the length of the bar element 3 can be 5 ⁇ m to 50 ⁇ m.
- the base body 2 can be 100 ⁇ m to 2000 ⁇ m and the width of the bar element 3 can be 5 ⁇ m to 50 ⁇ m.
- the thickness of the base body 2 can be 5 ⁇ m to 20 ⁇ m and the thickness of the beam element 3 can be 100 nm to 5 ⁇ m.
- the overlap area can comprise 10% to 50% of the total length of the beam element 3.
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Abstract
Description
CANTILEVER FÜR EIN RASTERKRAFTMIKROSKOP CANTILEVER FOR A LASTING FORCE MICROSCOPE
Die Erfindung betrifft einen Cantilever für ein Rasterkraftmikroskop, wobei der Cantilever einen Grundkörper aufweist, welcher durch eine externe periodische Kraft, welche von einer Anregungsvorrichtung bereitgestellt wird, in zumindest einer Frequenz anregbar ist, wobei der Grundkörper im schwingenden Zustand in einer Resonanzfrequenz einer vorgegebenen zweidimensionalen Schwingungsmode schwingt, sodass der schwingende Grundkörper eine erste dynamische Federkonstante aufweist. The invention relates to a cantilever for an atomic force microscope, the cantilever having a base body which can be excited in at least one frequency by an external periodic force provided by an excitation device, the base body in the vibrating state in a resonance frequency of a predetermined two-dimensional vibration mode oscillates so that the oscillating base body has a first dynamic spring constant.
Die Erfindung betrifft ferner ein Rasterkraftmikroskop und eine Verwendung eines The invention also relates to an atomic force microscope and a use of one
Cantilevers und eines Rasterkraftmikroskops. Cantilever and an atomic force microscope.
Die Rasterkraftmikroskopie (engl. Atomic Force Microscopy (AFM)) ist eine weitverbreitete Technologie zur topographischen Untersuchung und Materialcharakterisierung von Atomic Force Microscopy (AFM) is a widespread technology for the topographical investigation and material characterization of
Oberflächen im (Sub-) Nanometerbereich. Bei einer Messung eines Probenmaterials mit einem Rasterkraftmikroskop kommen sogenannte Cantilever zum Einsatz, welche im Stand der Technik als einseitig eingespannte mikroskopische Balken ausgebildet sind, die während der Messung verükal zu einer Probe schwingen. Der Balken ist somit ein mechanischer Resonator, welcher durch eine an dem Balken aufgebrachte Spitze mit der zu Surfaces in the (sub) nanometer range. When measuring a sample material with an atomic force microscope, so-called cantilevers are used, which in the prior art are designed as microscopic bars clamped on one side, which vibrate vertically to a sample during the measurement. The beam is thus a mechanical resonator which, through a tip attached to the beam, with the
untersuchenden Probenoberfläche wechselwirkt. examining sample surface interacts.
Ziel heutiger Entwicklungen ist es die Abtastgeschwindigkeit zu erhöhen, um die The aim of today's developments is to increase the scanning speed in order to achieve the
Messzeiten zu verkürzen, wodurch mit dem Rasterkraftmikroskop dynamische Prozesse nahezu in Echtzeit messbar werden. Hohe Abtastgeschwindigkeiten erfordern eine To shorten measurement times, whereby dynamic processes can be measured almost in real time with the atomic force microscope. High scan speeds require one
Schwingungsanregung des Cantilevers in einer hohen Resonanzfrequenz. Die Excitation of vibrations in the cantilever at a high resonance frequency. The
Resonanzfrequenzen T des Balkens ergeben sich nach Euler und Bernoulli zu Resonance frequencies T of the beam result from Euler and Bernoulli
Wobei a, die Eigenwerte des Differentialoperators der Euler-Bernoulli Gleichung darstellt. Je kürzer die Länge L des Balkens, desto höher liegen demnach seine Resonanzfrequenzen E. Where a, represents the eigenvalues of the differential operator of the Euler-Bernoulli equation. The shorter the length L of the beam, the higher its resonance frequencies E.
Ein sich daraus ergebender Nachteil ist jedoch, dass eine kurze Balkenlänge L eine hohe Federkonstante ki des Balkens zur Folge hat. Dies ergibt sich durch den Zusammenhang A resulting disadvantage is, however, that a short beam length L results in a high spring constant ki of the beam. This results from the context
w Breitew width
Den Balken in seiner Länge zu verkürzen limitiert jedoch dessen maximal erreichbare Auslenkung, welche zur Untersuchung von Oberflächen bestimmter Rauigkeit notwendig ist, und verringert überdies das Sensor-Messsignal bei einer auf Amplituden-Modulation basierenden Messung. Ferner können empfindliche Oberflächen wie sie beispielsweise biologische Proben aufweisen durch zu hohe Federkonstanten derart beeinflusst werden, dass sich die Messergebnisse verfälschen. Des weiteren werden Proben, insbesondere biologische bzw. organische Proben, oftmals in Flüssigkeiten untersucht, wodurch die im Stand der Technik bekannten Cantilever durch Verwendung der Standard Out-of- Plane- Mode stark gedämpft und ihr Q-Faktor, die Resonanzfrequenzen und die Signal-to-Noise Ratio signifikant erniedrigt werden. However, shortening the length of the bar limits its maximum achievable deflection, which is necessary for examining surfaces of a certain roughness, and also reduces the sensor measurement signal in the case of a measurement based on amplitude modulation. Furthermore, sensitive surfaces such as those found in biological samples can be influenced by excessive spring constants in such a way that the measurement results are falsified. Furthermore, samples, in particular biological or organic samples, are often examined in liquids, whereby the cantilevers known in the prior art are strongly attenuated by using the standard out-of-plane mode and their Q-factor, the resonance frequencies and the signal to-noise ratio can be reduced significantly.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Cantilever zu schaffen, welcher die Nachteile des Standes der Technik beseitigt. The object of the present invention is to create a cantilever which eliminates the disadvantages of the prior art.
Diese Aufgabe wird durch einen Cantilever mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Rasterkraftmikroskop mit den Merkmalen von Anspruch 11 gelöst. Bevorzugte This object is achieved by a cantilever with the features of claim 1 and an atomic force microscope with the features of claim 11. Preferred
Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Implementations are given in the dependent claims.
Erfindungsgemäß weist der Cantilever ein Balkenelement auf, welches an einer According to the invention, the cantilever has a beam element which is attached to a
Befestigungsstelle des Grundkörpers an dem Grundkörper befestigt ist, wobei ein erster Abschnitt des Balkenelements über einen Rand des Grundkörpers vorsteht, wobei das Balkenelement eine Messspitze aufweist, welche vorzugsweise orthogonal von dem Attachment point of the base body is attached to the base body, wherein a first portion of the bar element protrudes over an edge of the base body, wherein the bar element has a measuring tip, which is preferably orthogonal to the
Balkenelement absteht und an dem ersten Abschnitt des Balkenelements, welcher über den Rand des Grundkörpers vorsteht, angeordnet ist, wobei im schwingenden Zustand des Grundkörpers das Balkenelement durch die Schwingung des Grundkörpers in Bewegung versetzt wird, wobei das bewegte Balkenelement eine zweite dynamische Federkonstante aufweist, wobei der in einer Resonanzfrequenz schwingende Grundkörper und das bewegte Balkenelement ein gekoppeltes schwingendes System bilden. Bar element protrudes and is arranged on the first section of the bar element, which protrudes over the edge of the base body, wherein in the oscillating state of the Base body, the beam element is set in motion by the vibration of the base body, the moving beam element having a second dynamic spring constant, the base body oscillating at a resonance frequency and the moving beam element forming a coupled oscillating system.
Das gekoppelte schwingende System, welches aus dem Grundköper und dem daran befestigten Balkenelement gebildet wird, kann eine dynamische Federkonstante aufweisen, die insbesondere kleiner ist als die erste und die zweite dynamische Federkonstante. Als dynamische Federkonstante wird jene Federkonstante bezeichnet, die ein schwingendes System aufweist. Bevorzugt unterscheiden sich der Grundkörper und das Balkenelement sowohl in ihren Dimensionierungen als auch in ihren Materialparametern. Der Grundkörper ist vorzugsweise plattenförmig bzw. ein Plattenelement, welches eine rechteckige, quadratische oder trapezförmige Form aufweisen kann, wobei das Plattenelement im Vergleich zu dem Balkenelement eine größere Länge, Breite und Dicke aufweist. Das Balkenelement ist im Vergleich zu dem Grundkörper insbesondere kürzer, schmäler und dünner. Mit anderen Worten ist der Grundkörper bevorzugt in seinen Dimensionen größer und in seinen elastischen Eigenschaften steifer als das Balkenelement. Umgekehrt ist das Balkenelement in seinen Dimensionen vorzugsweise kleiner und in seinen elastischen Eigenschaften weicher als der Grundkörper. Der Grundkörper kann in zweidimensionalen Schwingungsmoden angeregt werden, wodurch, im Vergleich zu einem einfachen The coupled oscillating system, which is formed from the base body and the beam element attached to it, can have a dynamic spring constant which is in particular smaller than the first and the second dynamic spring constant. The spring constant that an oscillating system has is called the dynamic spring constant. The base body and the beam element preferably differ both in their dimensions and in their material parameters. The base body is preferably plate-shaped or a plate element which can have a rectangular, square or trapezoidal shape, the plate element having a greater length, width and thickness compared to the beam element. The beam element is in particular shorter, narrower and thinner than the base body. In other words, the base body is preferably larger in its dimensions and more rigid in its elastic properties than the beam element. Conversely, the beam element is preferably smaller in its dimensions and softer in its elastic properties than the base body. The base body can be excited in two-dimensional oscillation modes, which, compared to a simple one
Biegebalken, hochfrequente Eigenmoden mit hohen Gütefaktoren Q, angeregt werden können. Die zweidimensionalen Schwingungsmoden können mit der Kirchhoff-Love- Plattentheorie berechnet werden. Der im Vergleich zu dem Balkenelement größere Bending bars, high-frequency eigenmodes with high quality factors Q, can be excited. The two-dimensional oscillation modes can be calculated with the Kirchhoff-Love plate theory. The larger one compared to the beam element
Grundkörper kann, für bestimmte zweidimensionale Schwingungsmoden, sehr viel elastische Energie enthalten (in Relation zu Euler-Bernoulli-Moden mit vergleichbarer maximaler Frequenz der räumlichen Modenmodulation), wodurch jedoch die dynamische Federkonstante des Grundkörpers ebenfalls erhöht wird. Schwingt der Grundkörper in einer Resonanzfrequenz, weist das an den Grundkörper gekoppelte Balkenelement, im Vergleich zu dem Grundkörper, eine kleinere dynamische Federkonstante auf. Durch das Koppeln des Grundkörpers mit dem relativ zu dem Grundkörper wesentlich kleineren Balkenelement, kann das Balkenelement somit einerseits hochfrequent angeregt bzw. bewegt werden, und andererseits eine, im Vergleich zu dem Grundkörper, niedrigere dynamische Federkonstante aufweisen. Der erfindungsgemäße Cantilever kann somit in den für hohe Abtast- bzw. For certain two-dimensional oscillation modes, the base body can contain a great deal of elastic energy (in relation to Euler-Bernoulli modes with a comparable maximum frequency of the spatial mode modulation), but this also increases the dynamic spring constant of the base body. If the base body vibrates at a resonance frequency, the beam element coupled to the base body has a smaller dynamic spring constant compared to the base body. By coupling the base body with the beam element, which is much smaller relative to the base body, the beam element can be excited or moved at high frequencies, on the one hand, and, on the other hand, have a lower dynamic spring constant compared to the base body. The cantilever according to the invention can thus be used for high scanning or
Messgeschwindigkeiten benötigten hohen Resonanzfrequenzen angeregt werden, wobei gleichzeitig die dynamische Federkonstante des gekoppelten schwingenden Systems niedrig gehalten wird. Die dynamische Federkonstante eines Systems repräsentiert den Measurement speeds required high resonance frequencies are excited, with at the same time the dynamic spring constant of the coupled oscillating system is kept low. The dynamic spring constant of a system represents the
Proportionalitätsfaktor zwischen quadratischer Auslenkung und elastischer Energie, sodass die Energie des entsprechenden Punkt-Masse Systems und der Kontinuumsmode gleich sind. Bevorzugt schwingt während einer Messung der Grundkörper in einer hohen Proportionality factor between quadratic deflection and elastic energy, so that the energy of the corresponding point-mass system and the continuum mode are the same. The base body preferably oscillates at a high rate during a measurement
Resonanzfrequenz, so dass der kleine Biegebalken nicht in Resonanz gebracht wird und lediglich quasistatisch der Bewegung des Grundkörpers folgt. Der Begriff„quasistatisch" ist so zu verstehen, dass das Balkenelement bevorzugt nicht in Resonanz schwingt, wodurch dessen dynamische Federkonstante entsprechend gering ist. Das Balkenelement kann jedoch auch in Resonanz schwingen. Das Balkenelement ist bevorzugt an dem Grundkörper derart befestigt, dass der Grundkörper und das Balkenelement einen Überlappungsbereich aufweisen. Anders ausgedrückt, ragt ein erster Abschnitt des Balkenelements über einen Rand bzw. einen Randbereich des Grundkörpers hervor und ein zweiter Abschnitt des Balkenelements ist an einem Oberflächenbereich des Grundkörpers befestigt. Jener Resonance frequency, so that the small bending beam is not brought into resonance and only follows the movement of the base body quasi-statically. The term “quasi-static” is to be understood in such a way that the bar element preferably does not vibrate in resonance, whereby its dynamic spring constant is correspondingly low. The bar element can, however, also vibrate in resonance. The bar element is preferably attached to the base body in such a way that the base body and In other words, a first section of the bar element protrudes over an edge or an edge region of the base body and a second section of the bar element is attached to a surface region of the base body
Randbereich des Grundkörpers, an welchem der zweite Abschnitt des Balkenelements befestigt ist, wird in diesem Zusammenhang als Überlappungsbereich bezeichnet. In diesem Fall liegen das Balkenelement und der Grundkörper jeweils in einer Ebene, wobei die beiden Ebenen parallel zueinander verschoben sind. Der Balken kann im Wesentlichen als The edge area of the base body to which the second section of the beam element is attached is referred to in this context as the overlap area. In this case, the bar element and the base body each lie in one plane, the two planes being shifted parallel to one another. The bar can essentially be used as a
Verlängerungsarm des Grundkörpers angesehen werden. Das Balkenelement weist ferner eine Messspitze auf, welche mit einer Probenoberfläche bei einer Messung wechselwirken kann. Die Messspitze ist bevorzugt an einer Oberfläche des ersten Abschnitts des Extension arm of the base body are viewed. The beam element also has a measuring tip which can interact with a sample surface during a measurement. The measuring tip is preferably on a surface of the first section of the
Balkenelements befestigt, welche von dem Grundkörper abgewandt ist. Die Messspitze kann beispielsweise Diamant umfassen und an dem Balkenelement angeklebt sein, oder beispielsweise mittels Focused Electron Beam Induced Deposition an dem Balkenelement angebracht werden. Als Anregungsvorrichtung kann beispielsweise ein von dem Fastened bar element, which faces away from the base body. The measuring tip can, for example, comprise diamond and be glued to the beam element, or it can be attached to the beam element, for example, by means of focused electron beam induced deposition. As an excitation device, for example, one of the
Grundköper räumlich getrennter, externer Piezo-Aktor, eine photothermische Basic body spatially separated, external piezo actuator, a photothermal one
Aktivierungsvorrichtung, oder eine piezoelektrische Schicht, welche auf dem Grundkörper integriert aufgebracht ist, vorgesehen sein. An dieser Stelle sei erwähnt, dass einem Activation device, or a piezoelectric layer, which is applied in an integrated manner to the base body, can be provided. At this point it should be mentioned that one
Fachmann auf dem Gebiet der Rasterkraftmikroskopie klar ist, wie eine Messspitze an einem Cantilever angebracht werden kann und der Fachmann ferner die Möglichkeiten der Schwingungsanregung eines Cantilevers in einem Rasterkraftmikroskop sowie deren technische Umsetzung kennt, weshalb in dieser Offenbarung nicht näher darauf A person skilled in the art of atomic force microscopy knows how a measuring tip can be attached to a cantilever and the person skilled in the art also knows the possibilities of vibrating a cantilever in an atomic force microscope and their technical implementation, which is why this disclosure does not explain this in detail
eingegangen wird. Der Grundkörper kann ein erstes Material aufweisen und das Balkenelement kann ein zweites Material aufweisen, wobei das erste und das zweite Material unterschiedlich sein können. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das erste und das zweite Material nach (für eine AFM Messung) optimalen mechanischen Eigenschaften ausgewählt werden können. Alternativ können die beiden Materialien auch gleichartig sein. Der Grundkörper kann insbesondere aus einem, im Vergleich zu dem Balkenelement, steiferen Material bestehen. Der Grundkörper kann beispielsweise Silizium oder Siliziumcarbid umfassen und einen Elastizitätsmodul zwischen 150 GPa und 600 GPa, bevorzugt zwischen 130 GPa und 170 GPa, besonders bevorzugt 160 GPa aufweisen. Das Balkenelement kann insbesondere Gold, Silber, Aluminium, Silizium, Polymere oder Titan umfassen und einen Elastizitätsmodul zwischen 2 GPa und 170 GPa, vorzugsweise 70 GPa, aufweisen. Das Verhältnis der is received. The main body can comprise a first material and the beam element can comprise a second material, wherein the first and the second material can be different. This has the advantage that the first and the second material can be selected according to (for an AFM measurement) optimal mechanical properties. Alternatively, the two materials can also be of the same type. The base body can in particular consist of a material that is more rigid than the beam element. The base body can for example comprise silicon or silicon carbide and have a modulus of elasticity between 150 GPa and 600 GPa, preferably between 130 GPa and 170 GPa, particularly preferably 160 GPa. The beam element can in particular comprise gold, silver, aluminum, silicon, polymers or titanium and have a modulus of elasticity between 2 GPa and 170 GPa, preferably 70 GPa. The ratio of
Elastizitätsmoduli des Grundkörpers und des Balkenelements kann zwischen 0,75 und 300 liegen. The modulus of elasticity of the base body and the beam element can be between 0.75 and 300.
Vorzugsweise ist das Balkenelement an einem Rand bzw. einem Randbereich des The bar element is preferably at an edge or an edge region of the
Grundkörpers befestigt, welcher im schwingenden Zustand des Grundkörpers eine maximale Auslenkung relativ zu einem nicht schwingenden Ruhezustand des Grundkörpers aufweist. Dadurch kann das Balkenelement besonders effizient zum Schwingen angeregt werden. Es können auch zwei oder mehrere Balkenelemente an dem Grundkörper befestigt sein, wobei jedes Balkenelement von einem Rand des Grundkörpers absteht. Die zwei oder mehreren Balkenelemente sind vorzugsweise jeweils an einem Randbereich, welcher im schwingenden Zustand des Grundkörpers eine maximale Auslenkung aufweist, befestigt. Die zwei oder mehreren Balkenelemente sind vorzugsweise im Wesentlichen an den Fixed base body, which in the vibrating state of the base body has a maximum deflection relative to a non-vibrating rest state of the base body. As a result, the beam element can be excited to vibrate particularly efficiently. Two or more bar elements can also be attached to the base body, each bar element protruding from an edge of the base body. The two or more bar elements are preferably each fastened to an edge region which has a maximum deflection in the oscillating state of the base body. The two or more beam members are preferably substantially on the
Amplitudenmaxima der Schwingung des Randbereichs befestigt. Amplitude maxima of the oscillation of the edge area attached.
Vorzugsweise ist der Grundkörper in der Resonanzfrequenz von zumindest einer zweidimensionalen Schwingungsmode anregbar, und das Balkenelement kann mit dem schwingenden Grundkörper quasistatisch mitschwingen oder durch den schwingenden Grundkörper in einer Resonanzfrequenz des Balkenelements angeregt werden. Im schwingenden Zustand des Grundkörpers kann das Balkenelement durch die Schwingung des Grundkörpers in Resonanz angeregt werden. Dies ist der Fall, wenn sich die The base body can preferably be excited in the resonance frequency of at least one two-dimensional oscillation mode, and the beam element can vibrate quasi-statically with the vibrating base body or be excited by the vibrating base body in a resonance frequency of the beam element. In the vibrating state of the base body, the beam element can be excited in resonance by the vibration of the base body. This is the case when the
Resonanzfrequenz des Grundkörpers, in welcher der Grundkörper angeregt wird, und eine Resonanzfrequenz des Balkenelements überschneiden. Wenn die Resonanzfrequenz, in welcher der Grundkörper angeregt wird, von einer Resonanzfrequenz des Balkenelements betragsmäßig weit entfernt liegt, wird das Balkenelement nicht resonant angeregt und folgt der Schwingung des Grundkörpers bevorzugt quasistatisch. Im dem Fall, dass das The resonance frequency of the base body, in which the base body is excited, and a resonance frequency of the beam element overlap. When the resonance frequency in which the base body is excited is different from a resonance frequency of the beam element is far away in terms of amount, the beam element is not excited resonantly and follows the oscillation of the base body preferably quasi-statically. In the event that that
Balkenelement resonant schwingt, kann das Balkenelement in eindimensionalen oder in zweidimensionalen Schwingungsmoden schwingen. Die Schwingungsmode des Grund körpers kann beispielsweise eine Roof-Tile-förmige Schwingungsmode sein, zum Beispiel eine 12-Mode mit Resonanzfrequenzen zwischen 200 kHz und 2,5 MHz, bevorzugt 700 kHz oder 760 kHz oder einer 14-Mode mit Resonanzfrequenzen zwischen 500 kHz und 5 MHz, bevorzugt 3 MHz oder 2,2 MHz. Die Schwingungsmoden, in welchen der Grundkörper angeregt wird, weisen bevorzugt einen hohen Q-Faktor auf und werden somit nur schwach gedämpft. If the beam element vibrates resonantly, the beam element can vibrate in one-dimensional or in two-dimensional vibration modes. The oscillation mode of the base body can be, for example, a roof-tile-shaped oscillation mode, for example a 12-mode with resonance frequencies between 200 kHz and 2.5 MHz, preferably 700 kHz or 760 kHz or a 14-mode with resonance frequencies between 500 kHz and 5 MHz, preferably 3 MHz or 2.2 MHz. The vibration modes in which the base body is excited preferably have a high Q factor and are therefore only weakly damped.
Der Grundkörper kann eine erste dynamische Federkonstante und das Balkenelement kann eine zweite dynamische Federkonstante aufweisen, wobei die erste dynamische The main body can have a first dynamic spring constant and the beam element can have a second dynamic spring constant, the first dynamic spring constant
Federkonstante größer ist als die zweite dynamische Federkonstante. Dadurch kann der Grundkörper in einer hohen Resonanzfrequenz schwingen, wobei das Balkenelement hochfrequent angeregt bzw. bewegt werden kann, und gleichzeitig eine, im Vergleich zu dem Grundkörper, niedrigere dynamische Federkonstante aufweist. Damit werden AFM Messungen mit hoher Abtastrate insbesondere von weichen Proben selbst in Flüssigkeit ermöglicht, ohne dass durch die Messung die Proben bzw. deren Oberflächeneigenschaften verändert werden. Spring constant is greater than the second dynamic spring constant. As a result, the base body can vibrate at a high resonance frequency, the beam element being able to be excited or moved at high frequencies, and at the same time having a lower dynamic spring constant compared to the base body. This enables AFM measurements with a high sampling rate, in particular of soft samples, even in liquid, without the samples or their surface properties being changed by the measurement.
Vorzugsweise beträgt die Länge des Grundkörpers 100 pm bis 2000 mhi und die Länge des Balkenelements 5 pm bis 50 pm. Das Längenverhältnis von dem Grundkörper und dem Balkenelement kann insbesondere größer als 2, bevorzugt größer als 50, besonders bevorzugt größer als 200, noch mehr bevorzugt größer als 300 sein. The length of the base body is preferably 100 μm to 2000 mhi and the length of the bar element 5 μm to 50 μm. The length ratio of the base body and the bar element can in particular be greater than 2, preferably greater than 50, particularly preferably greater than 200, even more preferably greater than 300.
Vorzugsweise beträgt die Breite des Grundkörpers 100 pm bis 2000 pm und die Breite des Balkenelements 5 pm bis 50 pm. Das Breitenverhältnis von dem Grundkörper und dem Balkenelement kann insbesondere größer als 2, bevorzugt größer als 50, besonders bevorzugt größer als 200, noch mehr bevorzugt größer als 300 sein. The width of the base body is preferably 100 μm to 2000 μm and the width of the bar element 5 μm to 50 μm. The width ratio of the base body and the bar element can in particular be greater than 2, preferably greater than 50, particularly preferably greater than 200, even more preferably greater than 300.
Vorzugsweise beträgt die Dicke des Grundkörpers 5 pm bis 20 pm und die Dicke des Balkenelements 100 nm bis 500 nm. Die Dicke des Balkenelements kann auch bis zu 5 pm betragen. Das Dickenverhältnis von dem Grundkörper und dem Balkenelement kann insbesondere größer als 10, bevorzugt größer als 50, besonders bevorzugt größer als 100, noch mehr bevorzugt größer als 150 sein. The thickness of the base body is preferably 5 μm to 20 μm and the thickness of the beam element is 100 nm to 500 nm. The thickness of the beam element can also be up to 5 μm. The thickness ratio of the base body and the beam element can in particular greater than 10, preferably greater than 50, particularly preferably greater than 100, even more preferably greater than 150.
Zumindest eine Dimension des Grundkörpers und eine entsprechende Dimension des Balkenelements können ein Verhältnis von größer als 2, bevorzugt größer als 50, besonders bevorzugt größer als 100, noch mehr bevorzugt größer als 300 aufweisen, wobei die At least one dimension of the base body and a corresponding dimension of the bar element can have a ratio of greater than 2, preferably greater than 50, particularly preferably greater than 100, even more preferably greater than 300, the
Dimension eine Länge, Breite oder Dicke bzw. Höhe sein kann. Dimension can be a length, width or thickness or height.
Der Grundkörper ist bevorzugt plattenförmig ausgestaltet, wobei im schwingenden Zustand des Grundkörpers Nodallinien der Schwingung im Wesentlichen parallel und/ oder orthogo nal zur Länge des Grundkörpers orientiert sind. Die zweidimensionale Schwingungsmode, in welcher der Grundkörper während einer Messung angeregt wird, weist, bezogen auf die Länge des Grundkörpers, bevorzugt parallele und/ oder orthogonale Nodallinien auf. The base body is preferably designed in the form of a plate, with nodal lines of the vibration being oriented essentially parallel and / or orthogonally to the length of the base body in the vibrating state of the base body. The two-dimensional oscillation mode in which the base body is excited during a measurement preferably has parallel and / or orthogonal nodal lines, based on the length of the base body.
Entlang der Nodallinien ist die Amplitude der Schwingung null. Die Begriffe parallel und orthogonal beziehen sich darauf, in welcher Richtung der räumlichen Ausdehnung der Länge des Grundkörpers die Nodallinien liegen. Als Länge des Grundkörpers ist der Normalabstand zwischen einer ersten Kante und einer der ersten Kante gegenüberliegenden zweiten Kante zu verstehen, wobei an der ersten Kante bevorzugt das Balkenelement befestigt ist und an der zweiten Kante der Grundkörper beispielsweise an der The amplitude of the oscillation is zero along the nodal lines. The terms parallel and orthogonal relate to the direction in which the spatial extension of the length of the base body the nodal lines lie. The length of the base body is to be understood as the normal distance between a first edge and a second edge opposite the first edge, the beam element preferably being attached to the first edge and the base body, for example, to the base body on the second edge
Anregungsvorrichtung befestigt ist. Parallele Nodallinien liegen vor, wenn die Nodallinien parallel zur Längsausdehnung bzw. Länge des Grundkörpers verlaufen. Orthogonale Nodallinien liegen vor, wenn die Nodallinien orthogonal zur Längsausdehung bzw. Länge des Grundkörpers verlaufen. Die Nodallinien können insbesondere auch einen Excitation device is attached. There are parallel nodal lines when the nodal lines run parallel to the longitudinal extent or length of the base body. Orthogonal nodal lines are present when the nodal lines run orthogonally to the longitudinal extent or length of the base body. The nodal lines can in particular also have a
geschwungenen oder schrägen Verlauf aufweisen. have a curved or inclined course.
Erfindungsgemäß ist ein Rasterkraftmikroskop vorgesehen, umfassend zumindest einen erfindungsgemäßen Cantilever, wobei das Rasterkraftmikroskop dazu eingerichtet ist, ein Probenmaterial, welches vorzugsweise ein organisches oder biologisches Probenmaterial umfasst, zu messen, wobei der Cantilever während der Messung die Probe rasterförmig abgetastet, sodass während der Abtastung des Probenmaterials die Messspitze des According to the invention, an atomic force microscope is provided, comprising at least one cantilever according to the invention, the atomic force microscope being set up to measure a sample material, which preferably comprises an organic or biological sample material, the cantilever scanned the sample in a raster shape during the measurement, so that during the scanning of the Sample material the measuring tip of the
Balkenelements mit einer Oberfläche des Probenmaterials wechselwirkt, wobei während der Messung der Grundkörper des Cantilevers zum Schwingen in zumindest einer Beam element interacts with a surface of the sample material, the base body of the cantilever being able to vibrate in at least one during the measurement
Resonanzfrequenz des Grundkörpers angeregt wird, welche einer Resonanzfrequenz einer vorgegebenen zweidimensionalen Schwingungsmode entspricht, sodass der schwingende Grundkörper eine erste dynamische Federkonstante aufweist, und das Balkenelement durch die Schwingung des Grundkörpers in Bewegung versetzt wird, wobei das bewegte Resonance frequency of the base body is excited, which corresponds to a resonance frequency of a predetermined two-dimensional oscillation mode, so that the oscillating Base body has a first dynamic spring constant, and the beam element is set in motion by the vibration of the base body, the moving
Balkenelement eine zweite dynamische Federkonstante aufweist, wobei der in einer Beam member has a second dynamic spring constant, the in one
Resonanzfrequenz schwingende Grundkörper und das bewegte Balkenelement ein gekoppeltes System bilden. The body vibrating at the resonance frequency and the moving beam element form a coupled system.
Das Balkenelement kann eine piezoelektrische Schicht aufweisen, wobei durch die The beam element can have a piezoelectric layer, wherein the
Bewegungsänderung des Balkenelements auf Grund der Wechsel wir kung der Messspitze mit dem Probenmaterial die piezoelektrische Schicht ein Messsignal erzeugen kann. Dieses kann zur Analyse der Probenoberfläche herangezogen werden. Change in movement of the bar element due to the interaction of the measuring tip with the sample material, the piezoelectric layer can generate a measuring signal. This can be used to analyze the sample surface.
Die Bewegungsänderung des Balkenelements auf Grund der Wechselwirkung der The change in movement of the beam element due to the interaction of the
Messspitze mit dem Probenmaterial kann zudem optisch, vorzugsweise mit einem auf das Balkenelement fokussierten Laserstrahl, gemessen werden. Dadurch kann die Bewegung des Balkenelements erfasst und die Probenoberfläche gemessen werden. The measuring tip with the sample material can also be measured optically, preferably with a laser beam focused on the beam element. This enables the movement of the beam element to be recorded and the sample surface to be measured.
Bei einer möglichen Verwendung des erfindungsgemäßen Cantilevers ist dieser in einem Rasterkraftmikroskop eingebaut. Bei einer Messung eines Probenmaterials mit dem In one possible use of the cantilever according to the invention, it is built into an atomic force microscope. When measuring a sample material with the
Cantilever bzw. dem Rasterkraftmikroskop können der Cantilever und das Probenmaterial während der Messung in eine Flüssigkeit, vorzugsweise vollständig, eingetaucht sein. Durch den zweiteiligen Aufbau des erfindungsgemäßen Cantilevers wird dessen Schwingung in einer Flüssigkeit, im Vergleich zu einem gewöhnlichen schwingenden Balken, weniger stark gedämpft, wodurch die Messung des Probenmaterials in einer Flüssigkeit begünstigt wird. Natürlich sind ebenso Anwendungen in anderen, insbesondere gasförmigen oder überkritischen, Medien möglich. Cantilever or the atomic force microscope, the cantilever and the sample material can be immersed in a liquid, preferably completely, during the measurement. Due to the two-part construction of the cantilever according to the invention, its oscillation in a liquid is less strongly damped than in a conventional oscillating beam, whereby the measurement of the sample material in a liquid is favored. Applications in other, in particular gaseous or supercritical media, are of course also possible.
Im Rahmen dieser Beschreibung sind die Begriffe„oben",„unten",„horizontal",„vertikal" als Angaben der Ausrichtung zu verstehen, die sich auf eine Positionierung wie in den Figuren gezeigt beziehen und nicht als einschränkend in Bezug auf eine tatsächliche In the context of this description, the terms "top", "bottom", "horizontal", "vertical" are to be understood as indications of the orientation, which relate to a positioning as shown in the figures and not as restrictive with respect to an actual one
Orientierung des Cantilevers oder Rastermikroskops zu verstehen sind. Dies entspricht einem Cantilever in einem Rasterkraftmikroskop, welcher eine horizontale Oberfläche eines Probenmaterials abtastet. Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, auf das sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. In den Zeichnungen zeigt: Orientation of the cantilever or scanning microscope are to be understood. This corresponds to a cantilever in an atomic force microscope, which scans a horizontal surface of a sample material. The invention is explained in more detail below with reference to a preferred exemplary embodiment to which, however, it is not intended to be restricted. In the drawings shows:
Fig. 1 eine Draufsicht einer schematischen Darstellung eines erfindungsgemäßen Cantilevers; 1 shows a plan view of a schematic representation of a cantilever according to the invention;
Fig. 2 eine Seitenansicht des Cantilevers gemäß Fig. 1; FIG. 2 shows a side view of the cantilever according to FIG. 1;
Fig. 3 eine perspeküvische Ansicht einer schematischen Darstellung des Cantilevers; 3 is a perspective view of a schematic representation of the cantilever;
Fig. 4 eine schemaüsche Darstellung von einer parallelen und einer orthogonalen Nodallinie an dem Grundkörper des Cantilevers; und die 4 shows a schematic representation of a parallel and an orthogonal nodal line on the base body of the cantilever; and the
Fig. 5-8 verschiedene zweidimensionale Schwingungsmoden des Grundkörpers. Fig. 5-8 different two-dimensional oscillation modes of the base body.
In den Figuren werden zur Vereinfachung die Komponenten eines Rasterkraftmikroskops nicht gezeigt, da die grundsätzlichen Ausführungen eines Rasterkraftmikroskops dem Fachmann wohlbekannt sind und sich diese Offenbarung in erster Finie auf einen Cantilever bezieht. Ferner entsprechen zur besseren Anschaulichkeit die Verhältnisse der Dimensionen der einzelnen Komponenten nicht den realen Dimensionsverhältnissen. Die Figuren sind daher als starke Vereinfachung zu verstehen, welche das Grundprinzip der Erfindung ausreichend darstellen. For the sake of simplicity, the figures do not show the components of an atomic force microscope, since the basic designs of an atomic force microscope are well known to those skilled in the art and this disclosure relates primarily to a cantilever. Furthermore, for the sake of clarity, the proportions of the dimensions of the individual components do not correspond to the real dimensional proportions. The figures are therefore to be understood as a strong simplification, which adequately represent the basic principle of the invention.
Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 zeigen verschiedenen Ansichten einer Ausführungsform des 1, 2 and 3 show different views of an embodiment of the
Cantilevers 1 für ein Rasterkraftmikroskop, wobei der Canülever 1 einen Grundkörper 2 aufweist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper 2 plattenförmig und rechteckig ausgebildet. Der Cantilever 1 weist zusätzlich ein Balkenelement 3 auf, welches an einer Befestigungsstelle 4 des Grundkörpers 2 an dem Grundkörper 2 befestigt ist. Ein erster Abschnitt 3a des Balkenelements 3 steht über einen Rand 5 des Grundkörpers 2 vor bzw. ragt über den Rand 5 des Grundkörpers 2 hinaus. Ein zweiter Abschnitt 3b des Cantilever 1 for an atomic force microscope, the canula 1 having a base body 2. In the embodiment shown, the base body 2 is plate-shaped and rectangular. The cantilever 1 additionally has a beam element 3 which is fastened to the base body 2 at a fastening point 4 of the base body 2. A first section 3a of the bar element 3 projects beyond an edge 5 of the base body 2 or projects beyond the edge 5 of the base body 2. A second section 3b of the
Balkenelements 3, jener Abschnitt der nicht über den Rand 5 vorsteht, dient zur Befestigung des Balkenelements 3 an dem Grundkörper 2. Wie in Fig. 2 ersichtlich ist die Oberseite des zweiten Abschnitts 3b des Balkenelements 3 an der Unterseite eines Randbereichs des Rands 5 des Grundkörpers 2 befestigt. Das Balkenelement 3 kann auch mit einer seiner schmalen Seitenflächen 6 direkt an einer schmalen Seitenfläche 7 des Grundkörpers 2 befestigt sein, sodass es keinen Überlappungsbereich zwischen dem Grundkörper 2 und dem Balkenelement 3 gibt. Das Balkenelement 3 weist eine Messspitze 8 auf, welche orthogonal von dem Balkenelement 3 absteht und an einem Endbereich 9 des ersten Abschnitts 3a des Balkenelements 3 angeordnet ist. Wie in Fig. 2 ersichtlich ist die Messsitze 8 an einer Bar element 3, that section that does not protrude beyond the edge 5, is used to fasten the bar element 3 to the base body 2. As can be seen in FIG. 2, the top of the second section 3b of the bar element 3 is on the underside of an edge region of the edge 5 of the base body 2 attached. The bar element 3 can also be fastened with one of its narrow side surfaces 6 directly to a narrow side surface 7 of the base body 2, so that there is no overlap area between the base body 2 and the beam element 3. The beam element 3 has a measuring tip 8 which protrudes orthogonally from the beam element 3 and is arranged on an end region 9 of the first section 3 a of the beam element 3. As can be seen in FIG. 2, the measuring seats 8 are on a
Unterseite des Balkenelements 3 angeordnet. Arranged underside of the beam element 3.
Bei einer Messung eines Probenmaterials mit dem Cantilever 1 kann der Grundkörper 2 durch eine externe periodische Kraft, welche von einer Anregungsvorrichtung (nicht gezeigt) bereitgestellt wird, in einer Frequenz angeregt werden. Der schwingende When measuring a sample material with the cantilever 1, the base body 2 can be excited in a frequency by an external periodic force which is provided by an excitation device (not shown). The swinging one
Grundkörper 2 wird derart angeregt, sodass er im schwingenden Zustand in einer Base body 2 is excited in such a way that it is in a vibrating state in a
Resonanzfrequenz einer vorgegebenen zweidimensionalen Schwingungsmode schwingt.The resonance frequency of a given two-dimensional vibration mode oscillates.
Der Grundkörper 2 weist im schwingenden Zustand bevorzugt parallele 10 und orthogonale Nodallinien 11 auf. Der bevorzugt plattenförmige Grundkörper 2 weist eine The base body 2 preferably has parallel 10 and orthogonal nodal lines 11 in the oscillating state. The preferably plate-shaped base body 2 has a
Fängsausdehnung bzw. Fänge und eine Querausdehnung bzw. Breite auf. Die parallelen Nodallinien 10 verlaufen bevorzugt entlang bzw. parallel zur Fänge des Grundkörpers 2 und sind demnach parallel zu einer seitlichen Kante 2a des Grundkörpers orientiert. Die orthogonalen Nodallinien 11 verlaufen bevorzugt entlang der Breite des Grundkörpers 2 und sind demnach orthogonal zu der seitlichen Kante 2a (bzw. parallel zu einer vorderen Kante 2b) des Grundkörpers 2. Eine beispielhafte Anordnung von parallelen 10 und orthogonalen Nodallinien 11 an dem Grundkörper 2 sind in Fig. 4 gezeigt. Fig. 4 ist stark vereinfacht und zeigt beispielsweise den Grundkörper 2 ohne einem Balkenelement 3. Muzzle extension or catches and a transverse extension or width. The parallel nodal lines 10 preferably run along or parallel to the muzzle of the base body 2 and are accordingly oriented parallel to a lateral edge 2a of the base body. The orthogonal nodal lines 11 preferably run along the width of the base body 2 and are accordingly orthogonal to the lateral edge 2a (or parallel to a front edge 2b) of the base body 2. An exemplary arrangement of parallel 10 and orthogonal node lines 11 on the base body 2 are shown in fig. FIG. 4 is greatly simplified and shows, for example, the base body 2 without a bar element 3.
Die Fig. 5-8 zeigen Beispiele für zweidimensionale Schwingungsmoden, in welchen der Grundkörper 2 während einer Messung angeregt werden kann. Gezeigt werden auch die Resonanzfrequenzen der entsprechenden Schwingungsmoden. Das (in den Fig. 5-8 nicht gezeigte) Balkenelement 3 ist bevorzugt an einem Randbereich des Rands 5 des FIGS. 5-8 show examples of two-dimensional oscillation modes in which the base body 2 can be excited during a measurement. The resonance frequencies of the corresponding vibration modes are also shown. The bar element 3 (not shown in FIGS. 5-8) is preferably at an edge region of the edge 5 of the
Grundkörpers 2 befestigt, welcher im schwingenden Zustand des Grundkörpers 2 eine maximale Auslenkung relativ zu einem nicht schwingenden Ruhezustand des Grundkörpers 2 aufweist. Es können auch zwei oder mehrere Balkenstrukturen 3 an dem Grundkörper 2 befestigt sein, wobei bevorzugt jede Balkenstruktur 3 jeweils ein einem Base body 2 attached, which in the vibrating state of the base body 2 has a maximum deflection relative to a non-vibrating rest state of the base body 2. It is also possible for two or more beam structures 3 to be attached to the base body 2, with each beam structure 3 preferably each being one
Auslenkungsmaximum befestigt wird. Maximum deflection is attached.
In den Fig. 5-8 ist auch der nicht schwingende Ruhezustand des Grundkörpers 2 gezeigt, sodass man die Bereiche maximaler Auslenkung erkennen kann. Die 12-Mode bei 700 kHz (Fig. 5) hat beispielsweise einen Bereich, bei welchem der Rand 5 des Grundkörpers 2 maximal ausgelenkt wird, wobei dieser Bereich der Mitte der vorderen Kante 2b des Grundkörpers 2 entspricht. Wird die 12-Mode bei 700 kHz für die Anregung des 5-8 also show the non-oscillating state of rest of the base body 2 so that the areas of maximum deflection can be seen. The 12 mode at 700 kHz (FIG. 5) has, for example, an area in which the edge 5 of the base body 2 is maximally deflected, this area corresponding to the center of the front edge 2b of the base body 2. If the 12 mode at 700 kHz is used for the excitation of the
Grundkörpers 2 gewählt, wird demnach das Balkenelement 3 bevorzugt in der Mitte der vorderen Kante 2b befestigt. Die 14-Mode bei 3,0 MHz (Fig. 6) weist mehrere Chosen base body 2, the beam element 3 is therefore preferably attached in the middle of the front edge 2b. The 14 mode at 3.0 MHz (Fig. 6) has several
Auslenkungsmaxima auf, wobei beispielsweise an einem, mehreren oder jedem Displacement maxima, for example at one, several or each
Auslenkungsmaxima ein Balkenelement 3 befestigt werden kann. Auslenkungsmaxima a beam element 3 can be attached.
Im schwingenden Zustand des Grundkörpers 2 wird das Balkenelement 3 durch die In the vibrating state of the base body 2, the beam element 3 is through the
Schwingung des Grundkörpers 2 in Bewegung versetzt. Das Balkenelement 3 kann, durch den schwingenden Grundkörper, in einer seiner Resonanzfrequenzen angeregt werden, oder der Schwingung des Grundkörpers quasistatisch folgen. Das resonant schwingende Vibration of the base body 2 set in motion. The beam element 3 can be excited in one of its resonance frequencies by the vibrating base body, or it can follow the vibration of the base body quasi-statically. The resonant vibrating one
Balkenelement 3 schwingt insbesondere in einer eindimensionalen Schwingungsmode, welche durch die Balkentheorie berechnet werden kann. Beam element 3 vibrates in particular in a one-dimensional vibration mode, which can be calculated using beam theory.
Der Grundkörper 2 kann beispielsweise aus Silizium oder Siliziumcarbid hergestellt sein und einen Elastizitätsmodul von beispielsweise 160 GPa aufweisen. Das Balkenelement 3 kann aus Gold, Silber, Aluminium, Silizium, Polymere oder Titan hergestellt sein und einen Elastizitätsmodul von beispielsweise 70 GPa aufweisen. Der Grundkörper 2 kann eine erste dynamische Federkonstante und das Balkenelement 3 eine zweite dynamische The base body 2 can be made of silicon or silicon carbide, for example, and have a modulus of elasticity of, for example, 160 GPa. The beam element 3 can be made of gold, silver, aluminum, silicon, polymers or titanium and have a modulus of elasticity of, for example, 70 GPa. The base body 2 can have a first dynamic spring constant and the beam element 3 can have a second dynamic
Federkonstante aufweisen, wobei die erste dynamische Federkonstante größer ist als die zweite dynamische Federkonstante. Die effeküve dynamische Federkonstante des gekoppelten Systems ist insbesondere kleiner als die jeweiligen dynamischen Have spring constant, wherein the first dynamic spring constant is greater than the second dynamic spring constant. The effeküve dynamic spring constant of the coupled system is in particular smaller than the respective dynamic
Federkonstanten des Grundkörpers 2 und des Balkenelements 3. Spring constants of the base body 2 and of the beam element 3.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Länge des Grundkörpers 2 100 pm bis 2000 pm und die Länge des Balkenelements 3 5 pm bis 50 pm betragen. Die Breite des In the exemplary embodiment shown, the length of the base body 2 can be 100 μm to 2000 μm and the length of the bar element 3 can be 5 μm to 50 μm. The width of the
Grundkörpers 2 kann 100 pm bis 2000 pm und die Breite des Balkenelements 3 kann 5 pm bis 50 pm betragen. Die Dicke des Grundkörpers 2 kann 5 pm bis 20 pm und die Dicke des Balkenelements 3 kann 100 nm bis 5 pm betragen. Der Überlappungsbereich kann 10% bis 50% der Gesamtlänge des Balkenelements 3 umfassen. The base body 2 can be 100 μm to 2000 μm and the width of the bar element 3 can be 5 μm to 50 μm. The thickness of the base body 2 can be 5 μm to 20 μm and the thickness of the beam element 3 can be 100 nm to 5 μm. The overlap area can comprise 10% to 50% of the total length of the beam element 3.
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