Titelaufnahme

Titel
Optical path design and system integration for high speed scanning lever atomic force microscopes / von Jürgen Steininger
VerfasserSteininger, Jürgen
Begutachter / BegutachterinSchitter, Georg
Erschienen2015
UmfangIX, 112 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2015
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (EN)AFM / opto-mechatronics / nano-metrology
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-86053 Persistent Identifier (URN)
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Optical path design and system integration for high speed scanning lever atomic force microscopes [5.29 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Nach der Erfindung des Rasterkraftmikroskops (engl. Atomic Force Microscope, AFM) im Jahr 1986 entwickelte sich dieses zu einem grundlegenden Verfahren zur Abbildung, Vermessung und Manipulation von Oberflächen im Nanometer Bereich. Der Vorteil des AFMs gegenüber anderen bildgebenden Verfahren liegt vor allem im breiten Anwendungsbereich durch die Möglichkeit der Messung in unterschiedlichsten Umgebungen (Vakuum, Luft, Flüssigkeit,...). Häufige Anwendung findet das AFM sowohl im wissenschaftlichen Bereich, beispielweise durch Physiker und Biologen, als auch im industriellen Umfeld, beispielsweise durch die Halbleiterindustrie. Das grundlegende Messprinzip besteht darin, die Oberfläche mit einer feinen Spitze, welche am freien Ende eines Federbalkens montiert ist, abzutasten. Eine wesentliche Einschränkung stellt die erreichbare Messgeschwindigkeit dar, welche durch das zeilenweise abtasten der Oberfläche beschränkt wird. Obwohl neuere Publikationen Messungen mit mehreren Bildern pro Sekunde zeigen, wird in diesen Systemen die Scanbewegung üblicherweise durch die Aktuation einer äußerst kleinen und leichten Probe erreicht. Die Messung auf größeren Proben mit höhere Masse erfolgt üblicherweise durch sogenannte "Scanning Lever" Systeme bei den die Messspitze über der feststehenden Probe bewegt wird. Obwohl die Aktuation der Messspitze ähnlich zur Aktuation der Probe in herkömmlichen Systemen erfolgen kann, gestaltet sich die üblicherweise optisch durchgeführte Messung der Auslenkung des bewegten Federbalkens schwierig, da sich der optische Pfad durch die Aktuation verändert. In dieser Arbeit erfolgt die Analyse, das Design und die Evaluation von neuen Ideen zur Integration des optischen Pfades in schnellen "Scanning Lever" Systemen. Dabei wird sowohl ein Messsystem zur optischen Messung der Auslenkung des Federbalkens mit einer hohen Messbandbreite von 64.5 MHz sowie ein komplettes "Scanning Lever" AFM entwickelt. Dieses neu entwickelte System erlaubt die Abbildung von Oberflächen auf der Nanometerskala mit bis zu 625 Linien pro Sekunde.

Zusammenfassung (Englisch)

Since the invention in 1986 the atomic force microscope (AFM) became one of the most important tools for imaging, metrology, and manipulation of matter at the nanoscale. In contrast to other nanoscale imaging tools the AFM works under various environmental conditions as vacuum, air, and liquid. Therefore the instrument is used by many physicists and biologists as well as in industrial applications, e.g. in the semiconductor industry. The working principle is to probe the surface of the sample by a sharp tip mounted on the free end of a micro cantilever while raster scanning the sample and tip relatively to each other. The major drawback utilizing AFMs is the slow imaging speed by acquiring the image line by line. Although recent work shows that imaging is possible with several thousand lines per second, the size and mass of the sample is very limited as in these systems the sample is scanned against a fixed cantilever. Imaging large samples is best done by using so called scanning lever systems, where the cantilever instead of the sample is scanned in x-, y-, and z-direction. Although the actuation of the cantilever can be done in a similar way as the actuation of the sample in conventional AFM systems, the integration of the optical system, that is used to measure the cantilever deflection, is far more challenging as the optical path varies with the motion of the cantilever. This theses focuses on the analysis, design, and evaluation of a high speed deflection readout system and its integration into high speed scanning lever AFMs. This results in a high bandwidth deflection readout system with a measurement bandwidth of 64.5 Mhz, and the realization of a new scanning lever AFM that allows high speed imaging with up to 625 lines/s.