تحلیل برهمکنش‌ گذرای نمونه- سوزن در میکروسکوپ نیروی اتمی پرسرعت ضربه‌ای به‌منظور جلوگیری از آسیب نمونه‌های نرم

میکروسکوپ نیروی اتمی پرسرعت (hsafm) به دلیل دقت بالا و قابلیت تصویربرداری سه بعدی یکی از پرکاربردترین تکنیک های مورد استفاده در فناوری نانو است. علی رغم مزیت ها و غیرمخرب شناخته شدن این تکنیک، اگر ماکزیمم نیروی دافعه برهمکنش بیشتر از تنش شکست نمونه یا سوزن باشد آسیب نمونه یا سوزن محتمل خواهد بود. تاکنون مطالعات زیادی در مورد نیروهای دافعه در حالت ضربه ای انجام شده اما اکثراً در حالت پایدار بوده است. برای مواد نرم و در حالت گذرا هنگامی که سوزن ناگهان با یک پله رو به بالا مواجه می شود نیروی دافعه می تواند از حالت پایدار بیشتر بوده و در نتیجه باعث ایجاد آسیب به نمونه شود. بنابراین اگر مقادیر پارامترها به طور مناسب انتخاب نشود تنش نمونه سوزن ممکن است از تنش تسلیم نمونه تجاوز کند. در این مقاله ماکزیمم نیروی برهمکنش گذرا در دو بازه زمانی جاذبه و دافعه با یکدیگر مقایسه و تحلیل اثر پارامترهای مهم اسکن روی ماکزیمم تنش گذرای مواد نرم در میکروسکوپ نیروی اتمی پرسرعت در شرایط گذرا به صورت تئوری انجام شده و نمودارهای دقت جانبی و سرعت اسکن نیز ارایه شده که از نوآوری های این تحقیق است به طوری که در میکروسکوپ پرسرعت نمونه های نرم با مدول الاستیسیته در محدوده 2گیگاپاسکال به منظور پیشگیری از آسیب نمونه، استفاده از سفتی فنر در رنج 1-0/1نیوتون بر متر، دامنه آزاد 100-60نانومتر، نسبت دامنه 0/9-0/8، فاکتور کیفیت 100-50، شعاع سوزن 40-10نانومتر و سرعت اسکن 0/3-0/1میلی متر بر ثانیه نسبت به رزولوشن مورد نظر توصیه می شود تا فرآیند اسکن به صورت ایمن و با نتایج دقیق انجام شود.

Analysis of Transient Tip-Sample Interactions in High Speed Tapping Mode Atomic Force Microscopy with the Purpose of Damage Prevention

High speed atomic force microscopy (HSAFM) is one of the widely used techniques in nanotechnology applications due to high resolution and the ability of 3D imaging. Despite its advantages and although it is known as a nondestructive technique, tip or sample damage can occur if maximum repulsive force is higher than the failure stress of the sample or tip, as a result of tipsample interactions. Several studies in understanding the peak repulsive forces in tapping mode AFM have been carried out, but mostly in steady state situations. In transient situation when tip encounters a sudden steep upward step, the repulsive force can be much higher than that in the steady state situation and, consequently, damage could happen. Therefore, if appropriate parameters rsquo; values are not tuned, the tipsample stress may exceed yield stress of the tip or the sample. This paper presents the comparison of maximum transient interaction forces in time periods of net attractive and repulsive forces and the effects of important scanning parameters on maximum transient stress of compliant samples with the elastic modulus in the range of 2GPa together with lateral resolution and scanning speed diagrams, using theoretical analysis as a novelty of this paper, so that selecting cantilever stiffness in the range of 0.11N/m, free air amplitude 60100nm, amplitude ratio 0.80.9, quality factor 50100, tip radius 1040 nm, and scanning speed 0.10.3mm/s relative to required lateral resolution indeed leads to safe high speed microscopy.