Il sistema brevettato di rivelazione interferometrica in quadratura di fase (QPDI) dell’AFM Vero garantisce una precisione e un’accuratezza molto più elevate rispetto agli AFM tradizionali. In questa nota applicativa ci concentreremo sulle migliorie apportate da Vero nella modalità AFM in contatto.
La modalità contatto (AFM contact mode) è stata la prima ad essere utilizzata sugli AFM e funge da base per molte modalità di imaging derivate. Il rumore strumentale pone un limite sia alla risoluzione spaziale che al minimo valore di forza utilizzabile in pratica e, dal momento che grazie al sistema QPDI il rumore di fondo risulta molto più basso rispetto agli AFM tradizionali, Vero è in grado di raggiungere una risoluzione molto elevata in modalità contatto, ridefinendo così il concetto di imaging ad alta risoluzione.
Figura 1. Confronto tra le immagini simulate e i corrispondenti line scans con lo stesso segnale di 5 pm ma con diverse quantità di rapporto segnale/rumore (SNR). a) Nel caso di un AFM tradizionale con 20 pm di rumore, il segnale di 5 pm si perde nel rumore. b) Per l’AFM Vero con un rumore 20 volte inferiore, lo stesso segnale è ora chiaramente distinguibile.
Figura 2. Spettri di densità del rumore in ampiezza che confrontano i livelli di rumore del Vero AFM e di un AFM tradizionale. Il rumore di fondo di Vero è tipicamente più basso di 10 volte alle frequenze inferiori a quella di risonanza e, in questo esempio, è più basso di ~20 volte.
La figura 1 utilizza dei dati simulati per illustrare la differenza di risoluzione tra un AFM tradizionale a deflessione ottica del fascio (OBD) e l’AFM Vero con tecnologia QPDI. Mentre lo stesso passo quadrato di 5 pm è usato come segnale in entrambi i casi, il rumore (espresso come valore quadratico medio) è diverso e riflette la differenza dei livelli di rumore tra le due diverse tecnologie. Di conseguenza, anche il rapporto segnale/rumore delle immagini corrispondenti risulta molto diverso. Per un AFM tradizionale basato su OBD con un rumore di fondo RMS di 20 pm, il segnale di 5 pm risulta essenzialmente coperto dal rumore (Figura 1a). Tuttavia, per lo stesso segnale misurato con un AFM Vero QPDI con un rumore 20 volte inferiore, l’immagine risulta chiaramente risolta con un rapporto segnale/rumore pari a 5 (Figura 1b).
Un modo per visualizzare il rumore di fondo di un AFM è l’acquisizione di uno spettro di rumore termico (thermal noise spectrum). La figura 2 mette a confronto gli spettri del rumore termico di un AFM tradizionale e dell’AFM Vero basato su tecnologia QPDI. Nel caso di un AFM con sistema di rivelazione basato sulla deflessione ottica del fascio basato (OBD), la quantità di rumore dipende dal cantilever, con cantilever più corti che mostrano il rumore più basso. Tuttavia, anche quando si utilizza un cantilever corto, il rumore di fondo dell’AFM Vero risulta comunque inferiore a quello di un AFM tradizionale. Per i cantilever più comuni, come quello utilizzato per acquisire gli spettri del rumore termico mostrati nella figura 2, il rumore di fondo di Vero AFM (blu) è almeno 10 volte inferiore a quello di un AFM tradizionale (nero).
Figura 3: Tre esempi di immagini ad alta risoluzione in modalità contatto ottenute con l’AFM e con un AFM tradizionale basato su OBD: a) singoli passi atomici di un campione di zaffiro (campione per gentile concessione del Songshan Lake Materials Laboratory), b) risoluzione atomica di grafite (HOPG) ottenuta con un cantilever convenzionale, c) pattern moiré di un bistrato di grafene (twisted bilayer graphene, campione per gentile concessione di Lu You, Soochow University).
La figura 3 mostra esempi di confronto tra immagini ad alta risoluzione in modalità contatto ottenute con l’AFM Vero e con un AFM tradizionale. Ogni coppia di immagini è stata acquisita utilizzando le stesse impostazioni di scansione e lo stesso cantilever, con l’unica differenza rappresentata dal tipo di rivelatore AFM (QPDI vs OBD). L’AFM Vero risolve chiaramente i singoli strati di un campione di zaffiro e produce immagini molto più definite rispetto al sistema tradizionale (figura 3a). La figura 3b mostra un campione di grafite pirolitica altamente ordinata (HOPG) in cui si nota come l’AFM Vero sia in grado di raggiungere risoluzione atomica, mentre il segnale risulta coperto dal rumore di fondo nel caso di un AFM tradizionale. Infine, l’AFM Vero è in grado di risolvere facilmente la figura di interferenza (effetto Moiré) originata da due monostrati di grafene sovrapposti con diversa angolatura; anche in questo caso il segnale ottenuto con un AFM tradizionale risulta completamente sepolto dal rumore strumentale.
Grazie alla tecnologia QPDI, l’AFM Vero consente di raggiungere una risoluzione in modalità contatto senza precedenti e ridefinisce ciò che è possibile misurare e osservare con un microscopio a forza atomica.
