3. AKM ÇALIŞMA MODLARI
3.4 Kontak Dışı Mod
Kontak dışı Atomik Kuvvet Mikroskobu ile elde edilen son gelişmelerle, yalıtkan veya iletken tüm yüzeylerde atomik çözünürlük elde edilmesi bu tekniğin önemini arttırmıştır. Bu teknikle çalışıldığında belirlenmesi gereken bazı parametreler vardır. Bunlar; yay sabiti k, yayımızın rezonans frekansı f0, yayımızın kalite faktörü Q,
titreşim genliği A, frekanstaki kayma Δf. İlk üç parametre kullanılan yay ile ilgilidir fakat genlik ve frekanstaki kayma serbestçe ayarlanabilir. Kontak dışı çalışma şeklinde yüzeyle etkileşim ya itici kuvvetler ya da çekici kuvvetler baskınlığıyla gerçekleşmektedir. Bu teknik sayesinde Ultra Yüksek Vakum (UYV) ortamında doğru atomik çözünürlük elde edilmiştir. Frekans Modülasyon’ u olarak bilinen kontak dışı modda tarama iğnesi yüzeyle temas halinde değildir. Bunun sebebi titreşim genliğinin daha küçük olmasıdır. İğne-yay sistemimiz rezonans frekansında ve sabit bir genlikle titreştirilir. Kuvvet etkileşiminin varlığında yayın rezonans frekansı değişecektir. İtici ve çekici kuvvetlerin olduğu ve değişen bir kuvvet alanında hareket olacağından yay sabiti artar ve azalır. Bu kaymaları sabit tutmak için, geri besleme mekanizması piezo malzeme sayesinde z yönünde ileri geri hareket eder. Böylece yüzeyin 3 boyutta haritasını çıkartmış oluruz. Rezonans frekansındaki kaymaları doğru şekilde belirlemek ve kontrol etmek görüntü
Frekans Modülasyonu AKM, geri besleme mekanizmasının yayı uyarmada etkin olduğu ve titreşim genliğinin sabit tutulduğu çalışma şeklidir. Sader ve diğ. 2005 yılında yayınladıkları çalışma ile yayın hareketini, tamamen harmonik yaklaşımlığını kullanarak korunumlu ve korunumsuz kuvvetler için ve titreşim genliğinin değeri ne olursa olsun geçerli bir bağlantı kurdular. Fakat bu ilişkinin tamamen bilinmesi için etkileşim kuvvetinin tamamen bilinmesi gerekmektedir [18].
Yay sabiti k olan ve etkin kütlesi m olan bir yay için rezonans frekansı;
𝑓0=
𝑘 𝑚
2𝜋 (3.1)
şeklinde ifade edilir.
Periyodik titreşim sırasında iğne yüzeye yaklaşırken, ortalama iğne-yüzey etkileşimi kuvvet türevi ( 𝑑𝐹 𝑑𝑧 ) yani <𝑘𝑡𝑠>, rezonans frekansını değiştirir. Bu etki çekici
kuvvet alanı bölgesinde rezonans frekansını azaltma, itici kuvvet alanı bölgesinde rezonans frekansını arttırma şeklindedir.
𝛥𝑓 = 𝑓0 < 𝑘𝑡𝑠 >/2𝑘 (3.2)
FM-AKM çalışmaları atomik çözünürlük istendiğinde genelde UYV ortamında yapılır fakat hava ortamında da verimli çalışmalar yapmak mümkündür. AKM’ nin bu çalışma şekli iyi anlaşılır ve doğru uygulanırsa atomik çözünürlük elde etmek daha kolay olacaktır. Şimdi frekanstaki kaymaların nasıl olduğunu anlamaya çalışalım;
𝑓 𝑧 ∝ 𝑒(−𝑧𝐿) (3.3)
f(z): frekans kaymasını temsil etmekte
z: örnek yüzeyi ve tarama iğnesi arasındaki mesafe L: Sönüm Sabiti
Eğer z’ yi çok küçük bir şekilde artırırsak z→z+dz, frekanstaki ölçme f(z)→f(z+dz)’ ye azalacak demektir.
𝑓 𝑧 + 𝑑𝑧 = 𝑓 𝑧 𝑒(−𝑑𝑧𝐿 ) (3.4)
Sinyal ve gürültü oranı;
𝐾 = 𝑆
𝑁 (3.5)
şeklinde tanımlayalım.
f(z)’ deki en küçük değişimi veren ifade;
𝑑𝑓(𝑧) =𝑓(𝑧)
𝐾 (3.6)
olacaktır. Bu değer sinyaldeki gürültü seviyesine eşittir. Geri besleme mekanizması tarafından kontrol edilebilen dz, bizim z yönündeki en küçük değişimimiz ise, dz’ yi düşey yöndeki çözünürlük olarak tanımlayabiliriz.
Aynı zamanda;
𝑑𝑓 𝑧 = 𝑓 𝑧 − 𝑓(𝑧 + 𝑑𝑧) (3.7)
olacaktır. Biraz cebir yaparsak;
𝑑𝑓 𝑧 =𝑓(𝑧) 𝐾 = 𝑓 𝑧 − 𝑓(𝑧 + 𝑑𝑧) (3.8) = 𝑓(𝑧) 1 − 𝑒−𝑑𝑧𝐿 (3.9) 1 𝐾= 1 − 𝑒− 𝑑𝑧 𝐿 (3.10) 𝑑𝑧 = 𝐿 ln 𝐾 𝐾 − 1 → 𝑑𝑧 𝐿 ≪ 1 𝑜𝑙𝑑𝑢ğ𝑢𝑛𝑑𝑎𝑛 𝐾 ≫ 1′𝑑𝑖𝑟 (3.11) 𝑑𝑧 = 𝐿 𝐾 (3.12)
Bu ifade bize L’ yi azaltırsak, aynı zamanda da K’ yı artırırsak düşeydeki çözünürlüğü mükemmele yakın bir ölçümle yapabileceğimizi söyler. L’ yi iğnenin yarıçapını azaltarak düşürebiliriz. Fakat iğnemizin ucundaki en küçük kirlilik dahi L’ nin artmasına buda görüntü alımı esnasında ekstra etkileşmelere sebep olur.
Bu nedenler atomik çözünürlük alınamamasındaki en büyük etkenlerdendir. Kontak dışı mod içerisinde de iki farklı şekilde çalışabilmek mümkündür. Yüzeye atomik düzeyde çok yaklaşıp bu kısımda küçük titreşim genlikleriyle çalışmak (Ǻ altı titreşim genliği) bunlardan bir tanesidir. Diğeri ise yüzeyde biraz daha uzakta büyük titreşim genlikleri (100 Ǻ civarı) ile çalışmaktır. Fakat her iki çalışma şeklinin de artıları ve eksileri vardır.
Titreşim genliğini yüksek bir değerde çalıştırmak istediğimizde; yüksek kalite faktörlü yay kullanma, ve kontrol edilebilir geri besleme mekanizması, gürültü miktarının azaltılabilmesi ve rezonans dışı çalışmalarda ölçüm hassasiyetinin yüksek olmasına rağmen lineer olmayan etkiler ve bu sebeple yapılan yaklaşımlar ayrıca enerji kaybının yol açtığı problemler bu çalışma şeklinde problemlere sebep olmaktadır. 𝛥𝑓 𝑓0 𝑘 𝐴 = 𝑑𝜃 2𝜋 2𝜋 0 𝐹(𝑧 + 𝐴 cos 𝜃) cos 𝜃 (3.13)
Büyük genliklerle salınım yapıldığında frekanstaki kaymayı veren ifadelerden biri (3.13)’ tür ve belirli yaklaşımlar yapıldığında çözülebilmektedir (yayın harmonik hareketi, korunumlu etkileşim potansiyeli) [19]. Büyük genlikli salınımlarda frekanstaki kaymanın etkileşim kuvveti ile enerji arasındaki ilişkiyi sağladığı gözlemlenmesine rağmen. Küçük genlikli salınımlarda olduğu gibi frekans kayması ile etkileşim kuvveti arasındaki ilişkiyi direk veren bir ifade bulunmamaktadır. 2004 yılında Sader ve Jarvis yeni bir yaklaşım yaparak frekans değişimi ve kuvvet arasına bir ilişki kurmayı başardılar. Yaklaşımları Yarı-Kısmi integral yapmak üzerine kuruludur. Büyük salınım genliği limitinde, frekanstaki kayma kuvvetin Yarı-Kısmi integrali ile veya enerjinin Yarı-Kısmi türevi ile orantılıdır [20].
Dahası da salınım genliği kısa menzilli kuvvetlere göre büyük fakat uzun menzilli kuvvetlere göre küçükse, yani arada bir değerde ise toplam etkileşim için kısa menzilde gerçekleşen etkileşimin Yarı-kısmi integrali alınırken uzun menzilli etkileşimlerin Yarı-kısmi türevi alınarak toplam etkileşim elde edilir. Fakat bu durumda frekanstaki değişim enerji ile kuvvet arasındaki ilişkiyi kuran bağ olmaktan uzaklaşır çünkü uzun menzilde integral almak etkileşimlerde şiddeti artırmaya yararken kısa menzilde türev almak etkileşimin şiddetini azaltmaya sebep olacaktır. Yani etkileşim uzun menzilli kuvvetlerin baskınlığında gerçekleşiyor durumu söz konusu olacaktır.
Küçük genliklerde çalışmanın avantajları ise düşük kalite faktörlü yay kullanılabilmesi lineer etkileşimden dolayı etkileşim potansiyelinin iyi bilinmesi ve çözülebilmesi ve iğne ile yüzey arasındaki mesafe çok az olduğundan AKM ile eş zamanlı olarak TTM yapılabilmesidir. Küçük titreşim genliklerinde yayın rezonans frekansındaki değişmeyi veren ifade k yay sabiti, 𝑓0 yayın doğal salınım rezonans
frekansı olmak üzere; ∆𝑓 𝑓0 = − 1 2𝑘 𝜕𝐹 𝜕𝑧 (3.14)
şeklindedir. Burada rezonans frekansındaki kaymanın doğal salınım rezonans frekansına göre çok küçük olduğu yaklaşımı yapılır. Fakat bunun yanında yay sabiti yüksek olan bir yay kullanmak, yayın çok küçük olan sapmalarını ölçebilen ultra hassas detektör kurmak ve gürültü seviyesini düşürmek en büyük sıkıntılardandır. Sinyalimizin gürültüye olan oranı azalacağından görüntü kalitemizde düşmeler olacaktır. En uygun çalışma modu ve seçilen çalışma modundaki uygulama metodu hem örneğe, hem çalışılan ortamın koşullarına (hava, vakum yada sıvı ortamında) hem de kullanılan iğnenin özelliklerine göre değişmektedir.
Frekans modülasyonu tekniği diğer AKM çalışma modlarına göre daha karmaşık bir deneysel düzenek ve elektronik kontrol ünitesi gerektirir. Fakat verdiği fiziksel gözlenebilirler, frekans kayması ve titreşim genliğindeki sönüm daha kolay açıklanabilir ve etkileşme kuvveti ile ilişkilendirilebilir. Dahası da, Frekans Modülasyonu örnek ile yüzey arasındaki etkileşimleri direkt olarak korunumlu ve korunumsuz şeklinde ayırabilme özelliğine sahiptir.
AKM’ nin kısa menzilli kuvvetleri ölçebilmesindeki hassasiyeti artırmak için kısa menzilli kuvvetleri uzun menzilli diğer kuvvetlerden izole etmek gerekmektedir. Bu amaçtaki ilk adım küçük salınım genliğini ve Frekans Modülasyonu tekniğini kullanmaktır. Çünkü frekans kayması direkt olarak kuvvet gradyeni ile ilişkilidir. İkinci adım ise yüzeyden alınan bilgiler içinde yüksek türev derecesini içeren sinyali elde etmektir. Yüksek türev derecesine sahip sinyaller zaten yüzeyden gelen bilgi içerisinde mevcuttur. Eğer yay nokta kütle olarak düşünülseydi tek bir rezonans frekansını içeren cevap sinyali olacaktı fakat yay kütle parçacık olmadığından yüksek dereceli rezonans frekanslarını da doğal olarak içermektedir. Yaydaki sapmalar bütün bu rezonans harmoniklerini içereceğinden;
𝑎𝑛 cos(𝑛𝑤𝑡)
𝑛≥0 (3.15)
ifadesi bize salınımı yüksek harmonikler cinsinden vermektedir.
𝑎𝑛 n. harmoniğin genliğini göstermektedir. Yüksek harmoniklerin genlikleri küçük olmasına rağmen frekans kaymasından daha iyi düzlemsel çözünürlük elde edilir.