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Technische Artikel

Schnelle Bildgebung mit dem Park NX10 Rasterkraftmikroskop

Mina Hong, Gerald Pascual, Byong Kim, and Keibock Lee
Technical Marketing & Applications, Park Systems Corporation

 

Einleitung

Die Rasterkraftmikroskopie hat es Wissenschaftlern in der Forschung und in der Industrie ermöglicht, hochauflösende Messungen und Bildgebung im Nanometerbereich durchzuführen, allerdings mit einer relativ langsamen Bildgebungsgeschwindigkeit. Für bestimmte Anwendungen wie Kristallkeimbildung und -wachstum, Materialtransport und Protein-Selbstorganisation [1-3] ist es wichtig, die topografischen Veränderungen und den Partikeltransport zu verfolgen. Für solche Untersuchungen sollte ein Rasterkraftmikroskop (RKM) in der Lage sein, so schnell als möglich abzubilden, ohne die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit einzuschränken. Um diese Herausforderung zu meistern, haben sich die Ingenieure von Park Systems bemüht, die Rasterrate ihrer Rasterkraftmikroskope zu erhöhen, ohne Verlust an Auflösung und Genauigkeit und die Notwendigkeit von kostspieligem Zubehör.

Heute können Rasterkraftmikroskope der NX-Serie mit Hochfrequenz-Cantilevern Abbildungen mit der erwarteten hohen Auflösung erzeugen, mit einer im Vergleich zu herkömmlichen Systemen signifikant erhöhten Abtastrate. Alle Rasterkraftmikroskope der NX Baureihe sind für schnelle Z-Scanner-Rückkopplungsgeschwindigkeit und optimierte Z-Servosteuerung ausgelegt, sodass nur ein Ultrahochfrequenz-Cantilever für die Hochgeschwindigkeits-RKM-Bildgebung benötigt wird. Park's Fast Imaging ist die optimierte Lösung für die schnelle RKM-Bilderzeugung. Dies ermöglicht Forschern die schnelle und genaue Abbildung von Probenoberflächen mit einem weiten Spektrum an Merkmalshöhen von 1-10 Nanometern.

 

Experimente

Zur Darstellung der herausragenden Rastergeschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Auflösung wurde ein  Park NX10 RKM mit ultrakurzen Cantilevern (USC) von NanoWorld eingesetzt. USC haben eine Federkonstante von 3 N / m und eine Resonanzfrequenz von 2 MHz. Drei kommerzielle Produkte wurden untersucht, um die Benutzerfreundlichkeit, die Genauigkeit und die Geschwindigkeit des Gerätes zu demonstrieren. Alle Experimente wurden im Nicht-Kontakt-Modus unter Verwendung der Park SmartScan RKM-Betriebssoftware durchgeführt.

Als Erstes wurde Pentacenfilm untersucht. Pentacen ist ein polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoff, der aus fünf linear kondensierten Benzolringen besteht. Die Ringe sind zu einer Struktur verbunden, die Oberflächenhöhenunterschiede von etwa 10 Nanometern aufweist. Es ist eine hochkonjugierte Verbindung, die als organischer Halbleiter verwendet werden kann. Die zweite Probe war ein dreieckiges Aluminiumproduktionsmuster. Die dritte Probe war Celgard, ein Material, das als Separator und Filtrationsmembran in porösen Lithiumionenbatterien sowie in mehreren medizinischen Anwendungen verwendet wird. Die Oberfläche von Celgard weist eine hohe Variation von Merkmalshöhen in der Größenordnung von zehn Nanometern auf. Alle Proben wurden mit einer von 1 Hz auf 10 Hz erhöhten Rasterrate abgebildet, um zu untersuchen, ob eine hochauflösende Bildaufnahme beibehalten werden kann, während die topographischen Veränderungen und die Teilchentransformation der Proben erfasst werden.

 

Ergebnisse & Diskussion

Das Experiment zeigt deutlich, dass das Park NX10 RKM hohe Auflösung, Produktivität und Leistung bei erhöhter Abtastrate liefert. Abb. 1 zeigt deutlich die Oberflächeneigenschaften der Pentacenprobe, wie Löcher (Defekte) und die Monoschichtstrukturen. Wenn die Abtastgeschwindigkeit von 1 Hz (Abb. 1a) auf 10 Hz (Abb. 1b) erhöht ist, gibt es keinen offensichtlichen Unterschied zwischen den beobachteten Features. Wir glauben, dass mit einer Rasterrate von 10 Hz die Veränderungen in der Oberflächentopografie von Pentacen unter Bedingungen in denen Wachstum oder Auflösung erfolgen gut dargestellt werden können.

 

161223-afm-image-pentacene-filmAbb. 1 Bilder von Pentacenfilm, bei (a) 1 Hz und (b) 10 Hz. Scangröße: 1 μm × 1 μm, Bildgröße: 512 px × 512 px.

 

In Abb. 2 können die scharfen Kanten des 15 nm hohen Dreiecksaluminium-Herstellungsmusters deutlich sowohl bei niedriger als auch bei hoher Abtastgeschwindigkeit ohne Verringerung der Bildqualität dargestellt werden. Die erhöhte 10-Hz-Abtastrate erlaubt es, Abbildungen in gleicher Qualität wie ein 1 Hz Bild zu erzeugen.

 

161223-afm-image-triangular-aluminum-productionAbb. 2 Topografiebilder des dreieckigen Aluminiumproduktionsmusters, bei (a) 1 Hz und (b) 10 Hz.
Scangröße: 1 μm × 1 μm, Bildgröße: 512 px × 512 px.

Die poröse Struktur von Celgard weist die größte Komplexität der untersuchten Proben dar. Die Höhenvariation und die Tatsache, dass die Fibrillen frei hängend sind, machen es für herkömmliche Techniken sehr schwierig, Veränderungen zu verfolgen. Abbildung 3 zeigt, dass die Details der Oberflächenstruktur auch bei erhöhter Rate von 10 Hz perfekt erfasst werden.

 

161223-afm-image-celgard

Abb. 3 Topografiebilder von Celgard bei (a) 1 Hz und (b) 10 Hz.
Scangröße: 1 μm × 1 μm, Bildgröße: 512 px × 512 px.

 

Schlussfolgerung

Die Experimente zeigen deutlich, dass die Topografien von Pentacen, einem Aluminiumprojektionsmuster und Celgard effizient und genau mit dem Park NX10 Systems bei einer erhöhten Rate von 10 Hz abgebildet werden können. Alle Park Systeme der NX-Serie mit Hochfrequenz-Cantilevern liefern schnelle Bildgebung ohne zusätzliche Hardware. Somit erlaubt dieses integrierte Feature der NX-Serie von Park Systems die dynamische Untersuchung der Topographie von Materialoberflächen, sowie die Veränderung von Eigenschaften, in-situ und in Echtzeit.

 

REFERENZEN

[1] Geochim. Cosmochim. Acta 141, 228-239
[2] Cryst. Growth Des. 15 (1), 129-136
[3] PloS one 9 (4), e95333