AFM

En el siguiente articulo trataremos de crear un manual con el cual se pueda aprender a manipular el microscopio AFM de la facultad de física de la Pontificia Universidad Católica de Chile.

Composición del AFM

Aquí se describen los materiales principales que componen este AFM home-made, junto con su función.

Punta

Esta herramienta es la que permite el scanner de la superficie a estudiar. Funciona gracias a su deflección, o sea, su doblamiento hacia la muestra estudiada, y según la fuerza existente entre la punta y la muestra, es el sistema de scanner de ella. De manera introductoria, se mencionan los modos de interacción a continuación:

- Modo de contacto: Es el que se utiliza en nuestro AFM, y tanto la deflección de la punta como la fuerza de interacción entre la punta y la muestra son constantes.

- Modo de no contacto: La punta no toca la muestra, y oscila con una frecuencia levemente cercana a la de resonancia de la punta. Su amplitud de oscilación varía entre 1 y 10 nm, siendo, por ello, las fuerzas de Van Der Waals las responsables de su oscilación.

- Modo de contacto intermedio: La punta toca la muestra intermitentemente, con una frecuencia cerca de la de resonancia de la punta, pero con una amplitud entre 100 y 200 nm, un orden de magnitud mayor que del modo de no contacto. Las fuerzas asociadas pueden ser tanto de Van Der Waals, electrostática y otras.

Curiosamente, en este AFM se utiliza el modelo de punta PPP-NCL, que es para modo de no contacto. Aquello se explica simplemente por la eficiencia de funcionamiento de este tipo de puntas, en comparación a las puntas de contacto utilizadas. Las especificaciones se indican a continuación:

- Material: Silicio

- Dimensiones (espesor x longitud x ancho): $LaTeX: 7\mu m \times 225 \mu m \times 38 \mu m$

- Frecuencia de Resonancia: 190 KHz

- Constante de Fuerza: 48 N/m

Cantilever

Es una estructura flexible, compuesta por Silicio (al igual que la punta), que se dobla según las fuerzas que existan entre la punta y la muestra, descritas anteriormente. El cantilever se definió inicialmente como la estructura flexible misma, que incluía la punta incorporada en su construcción, pero existen diversos modelos en la actualidad, siendo el utilizado para este AFM una punta incorporada paralelamente a la cara de mayor área del cantilever. Ahora bien, la deflexión del cantilever, para este AFM se detecta apuntando un láser rojo de $LaTeX: \lambda = 632.8 nm$ hacia la punta, ya que esta deflexión es directamente proporcional a la variación del ángulo de reflexión del láser. Y para detectar estas variaciones, se utiliza un sistema de fotodiodos de cuatro cuadrantes.

Sistema de Detección de Cuatro Cuadrantes

Un fotodiodo es un fotodetector que convierte luz incidente en corriente o voltaje de salida. Para este caso, la intensidad de luz reflejada por la punta y detectada por este elemento se observa como voltaje de salida. Ahora, ya que un AFM analiza superficies, la deflexión también se presenta en dos ejes, lo que se soluciona con el sistema de cuatro cuadrantes, siendo cada uno de ellos un fotodiodo. Con ello, respecto a un centro de referencia fijado para cada medición, la deflexión, horizontal o vertical, se detecta en base a la variación de la luz incidente en cada fotodiodo.

Diagrama de un sistema de cuatro cuadrantes. La deflexión horizontal se describe en base al cambio (A+C)-(B+D), y la vertical en base al cambio (A+B)-(C+D).

Con ello, para cada medición, una vez dispuesta la muestra, se debe ajustar la dirección del láser tal que incida exactamente en la punta utilizada. Después, debe acercarse el sistema completo (cantilever, punta, láser y su soporte, sistema de cuatro cuadrantes) hacia la muestra, que se coloca sobre un escáner, sistema que se enmarca en los llamados piezoeléctricos, tal de evitar la dispersión de los rayos reflejados por el láser. Luego, se debe ajustar el sistema de cuatro cuadrantes de modo de que el rayo reflejado incida en el centro del sistema de cuadrantes (la posición de x debe estar en cero, y la suma del voltaje detectado por los cuadrantes debe ser aproximadamente $LaTeX: -4 V$).

Sistema de Control

Circuitos de retroalimentación

Aqui se va explicar qué es un circuito de retroalimentación, cómo una parte del output va al input con el propósito de que el sistema se controle a sí mísmo. Retroalimentación negativa, positiva y bipolar.

Controladores PID y PI

En qué consiste un tipico controlador PID, qué significa cada parámetro (P, I, D) y de dónde vienen. Por qué en la práctica se usan más los PI, y en particular en nuestro AFM.

Ajuste de P-gain e I-gain

Cuál es el impacto de variar los parámetros P e I en el AFM, dónde y cómo se varían.

Diagrama del sistema de control del AFM

Diagrama con las conexiones necesarias: canales X, Y, Z, scanner, error, sistema de adquisión (PC).

Lock-In

El amplificador Lock-In, o rectificador sensible a la fase, es fundamental para el funcionamiento de los distintos tipos de microscopios de sondeo de superficies, en especial en los modos dinámicos del AFM.

Descripción del Aparato

Un amplificador Lock-In es un tipo de aparato electrónico que puede extraer una señal de un cierto tipo de onda, con frecuencia conocida, de un ambiente extremadamente "ruidoso" (La razón S/N, Signal to Noise, puede ser -60 dB o aun menor) mediante la modulación y posterior detección por fase de dicha señal. Este aparato ocupa esencialmente el método de detección homodyne con un filtro pasabajos o low-pass. El funcionamiento del Lock-In se basa en la mezcla de ondas a través de un mezclador de frecuencias, es decir entrega una señal que es el producto de una de entrada y otra generada localmente por el Lock-In. Esta mezcla se ocupa para transformar la fase y la amplitud de la señal de AC a DC. Con todo esto se puede conocer la amplitud de la onda, frecuencia y eventual fase que tiene la señal buscada.

El amplificador Lock-In fue desarrollado e inventado por Robert H. Dicke de la Universidad de Princeton, quien fundo la compañía de Investigación Aplicada de Princeton (PAR).

Teoria acerca su funcionamiento

El Lock-In funciona ocupando un principio básico de las ondas electromagnéticas, la ortogonalidad de las funciones sinusoidales. Para esto el Lock-In genera señales de referencia con la misma frecuencia de la que se quiere encontrar, que podemos aproximar a la siguiente forma:

$LaTeX: r(t) \approx sin( 2\pi f_{0} t )$

Por otro lado, la señal que ingresa al Lock-In esta formada por una onda que tiene la misma frecuencia que la señal de referencia, con su respectiva amplitud y fase, mas una componente que corresponde a todo el ruido externo, la señal de entrada la podemos representar aproximadamente como:

$LaTeX: e(t) \approx A sin ( 2\pi f_{0} t + \theta ) + n(t)$

El Lock-In amplifica y digitaliza esta señal, para luego realizar el producto con la componente en fase y en cuadratura (desplazada 90 grados) de la referencia.

$LaTeX: p_{f}(t) = r(t) \times e_{f}(t) = \frac{1}{2} A cos(\theta) - \frac{1}{2} A cos(4\pi f_{0} t + \theta) + n_{f}(\theta)$

$LaTeX: p_{c}(t) = r(t) \times e_{c}(t) = \frac{1}{2} A sin(\theta) + \frac{1}{2} A sin(4\pi f_{0} t + \theta) + n_{c}(\theta)$

Donde $LaTeX: r_{f}$ y $LaTeX: r_{c}$ representan la referencia en fase y en cuadratura respectivamente, $LaTeX: n_{f}$ y $LaTeX: n_{c}$ representan la componente del ruido luego de la multiplicación y los instantes de muestreo están representados por la variable t.

Filtrando las componentes de alterna y conservando únicamente el valor medio (o de continua), se obtienen como salida dos señales con valores iguales a la componente en fase de la señal de entrada y la componente en cuadratura.

$LaTeX: x = 2 <p_{f}> \approx A cos(\theta)$

$LaTeX: y = 2 <p_{c}> \approx A sin(\theta)$

Con esta información se nos hace muy simple obtener la amplitud y la fase de la siguiente manera:

$LaTeX: A = \sqrt{x^2 + y^2}$

$LaTeX: \theta = tan^{-1} (\frac{y}{x})$

Así podemos conocer la amplitud A, la fase $LaTeX: \theta$ y la frecuencia f con las cuales podemos identificar completamente la onda que estabamos buscando.

Como utilizar el Lock-In

El amplificador Lock-In presente en el microscopio AFM de la facultad de física de la Pontificia Universidad Católica de Chile es un modelo 5320-Differential Amplifier (SPM) marca Princeton Applied Research (PAR). En la imagen de la derecha podemos ver el Amplificador Lock-In.

Amplificador Lock-In modelo 5320-Differential Preamplifier marca PAR ocupado en el micorscopio AFM.

Es importante mencionar que el amplificador Lock-In solo se debe utilizar en el modo contacto intermitente, la punta que se debe utilizar es, extrañamente, una de no contacto, la misma que ocupamos en el modo de contacto, los detalles de esta punta estan antes explicados, lo único que tal ves se debería mencionar acá es que según el productor de la punta, Nanoworld, la frecuencia de resonancia es 190 KHz. En cuanto a la coneccion del Lock-In podemos decir que se necesita un generador de señales el cual se conecta por un lado a un osciloscopio y por otro a la entrada de la señal de referencia del Lock-In, que se encuentra en la parte trasera de este. También debemos conectar el canal de entrada a la señal proveniente del eje y del AFM. Finalmente la señal de salida se conecta al feedback in. Para comenzar a tomar datos lo primero que debemos hacer es determinar cual es la frecuencia de resonancia de la punta que estamos utilizando, para esto variamos con la frecuencia del generador de señales hasta que en el osciloscopio se muestre la onda con mayor amplitud. Hecho esto comenzamos a "jugar" con la fase y amplitud del Lock-In hasta que la señal de salida sea nula, esto lo podemos ver en la pantalla del Lock-In o bien en la pantalla del Feedback in. Esto se hace porque de esta manera el Lock-In esta constantemente retro-alimentando al sistema de tal forma que la frecuencia de resonancia de la punta va variando según la superficie que esta analizando, dejando siempre la señal de salida nula.

Ventajas y Desventajas

Ventajas

• Al ser desarrollado en la misma facultad, la función docente que cumple el AFM, junto con los investigadores que lo utilizan, se optimiza. Además, la mantención es más abordable, tanto económica como prácticamente.
• La falla de una pieza implica sólo la reposición de ella solamente, y no de una estructura completa, o de todo el AFM.
• Los softwares de medición y análsis topográficos están hechos para este aparato particularmente, lo que facilita su uso directo y fácil de aprender.

Desventajas

• Poca practicidad, debido a que se deben cambiar constantemente las piezas utilizadas, si se varían las condiciones de medición, o para optimizarla. También, como en el caso de la punta NCM utilizada para CM, se debe probar con varias piezas para hallar el funcionamiento óptimo del AFM, según sea el caso.
• Debido a su antigüedad, el espacio utilizado, tanto por el AFM mismo como por todos aparatos controladores, es bastante grande. También, el software utilizado para medir y analizar las topografías, fue programado específicamente para este AFM, lo que dificulta la posibilidad de actualizaciones y mejoras para aumentar la eficiencia de ambos procesos.
• La definición del área de la muestra a estudiar debe ser fijada manualmente, ya que la muestra debe colocarse sobre el escáner de modo que la punta logre abarcar el área que se desea analizar.

Referencias

Características de la punta PPP-NCL

Funcionamiento del Lock-In