DEVELOPMENT OF THE SWEPT CANTILEVER FOR MULTIFREQUENCY ATOMIC FORCE MICROSCOPY
Abstract
Currently, in electronics, scientists are trying to move from micro to nano. With the devel-opment of such a direction as nanoelectronics, an improvement of methods for studying the sur-faces of materials is required. Multifrequency atomic force microscopy includes several methods of force microscopy, which can reduce the time of data collection, improve spatial resolution and quantitative mapping of surface properties. To obtain the required resonant frequencies of the cantilever, a mass distribution method is used. In this regard, specialized cantilevers are used, which are obtained by modifying the standard forms of beams (with etched groove; with drowning under the shape of an arrow). For the manufacture of specialized cantilevers use commercial can-tilevers of monocrystalline silicon. In addition to the usual silicon, silicon nitride and polycrystal-line silicon are also used as materials. The use of polycrystalline silicon increases the strength of the cantilever. The purpose of this work is to develop a design of a swept cantilever made of poly-crystalline silicon for multifrequency atomic force microscopy. The work implemented a paramet-ric model of the cantilever on the basis of polycrystalline silicon specialized for multifrequency atomic force microscopy to investigate the frequency characteristics and the deviation of the canti-lever. The results of numerical simulation of the first three resonant frequencies by the finite ele-ment method are presented. The simulation is performed under the condition that the geometrical parameters of the beam lying in the range: length 150–200 mm, thickness from 2–6 μm, width of 20 to 50 μm; the dimensions of the tip and its position has not changed: the height of the tip 15 μm, and a base radius of 2 microns and the corner radius of 35 nm. On the basis of the developed model, the ranges of the most optimal values for the first three resonant frequencies of the cantile-ver, f1-50-250 kHz, f2 – 400-1500 kHz, f3 – 700 – 1900 kHz were determined. Analytical depend-ences of stiffness coefficient on geometrical parameters (length, thickness, width) from 3.0 to 1.25 N/m are also obtained; 1.4 to 3.4 N/m and 2 to 50 N/m; respectively. The data obtained made it possible to determine the design of a swept cantilever with geometric parameters that provide an optimal ratio of stiffness and resonance frequency that meet the requirements of multifrequency atomic force microscopy (length 170 μm, width 30 μm and thickness 2 μm).
References
2. Balantekin М., Atalar А. Enhanced higher-harmonic imaging in tapping-mode atomic force microscopy // Appl. Phys. Lett. – 2005. – Vol. 87, No. 20. – P. 243513-243515.
3. Dong M. Determination of protein structural flexibility by microsecond force spectroscopy // Nature Nanotechnology. – 2009. – Vol. 4. – P. 514-517.
4. Tetard L., Passion A., Thundat T. New modes for subsurface atomic force microscopy through nanomechanical // Nature Nanotechnology. – 2010. – Vol. 5. – Р. 105-109.
5. Balke N. Nanoscale mapping of ion diffusion in a lithium-ion battery cathode // Nature Nano-technology. – 2010. – Vol. 5. – P. 749-754.
6. Giessibl F.J. Advances in atomic force microscopy // Rev. Mod. Phys. – 2003. – Vol. 75. – P. 949-983.
7. Shamsudhin N., Rothuizen H., Nelson B.J. [et al.]. Multi-frequency atomic force microscopy: A system-theoretic approach // IFAC Proceedings Volumes. – 2014. – Vol. 47, No. 3. – P. 7499-7504.
8. Zhang W., Chen Y., Chu J. Cantilever optimization for applications in enhanced harmonic atomic force microscopy // Sensors and Actuators A: Physical. – 2017. – Vol. 255. – P. 54-60.
9. Cai J., Xia Q, Luz Y [et al.]. Optimal Design and Evaluation of Cantilever Probe for Multifrequency Atomic Force Microscopy. – URL: http://web.aeromech.usyd.edu.au/WCSMO2015/ pa-pers/1158_paper.pdf (дата обращения: 02.02.2019).
10. Малохатко С.В., Гусев Е.Ю., Житяева Ю.Ю. [и др.]. Разработка и исследование модели двухбалочного кантилевера на основе поликристаллического кремния // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2017. – № 6 (191). – С. 234-243. 11. Малохатко С.В., Гусев Е.Ю. Моделирование резонансных частот поликремниевого канти-левера для многочастотной атомно-силовой микроскопии // Матер. международной науч-но-технической конференции "INTERMATIC-2018", 19-23 ноября 2018. – С. 683-686.
12. Быков А.В. Моделирование отклонения кантилевера на основе поликристаллического кремния // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2015. – № 9 (170). – С. 145-150.
13. Гуртов В.А., Беляев М.А., Бакшеева А.Г. Микроэлектромеханические системы: учеб. пособие. – Петрозаводск: Из-во ПетрГУ, 2016. – 171 с.
14. Краснобородько С.Ю. Исследование и разработка комплекса методик для совершенст-вования функциональных и точностных характеристик атомно-силовой и магнитно-силовой микроскопии. – URL: https://miet.ru/upload/iblock/5e4/Краснобородько_dis.pdf (дата обращения 2.12.2018).
15. Павлов И., Хохлов А. Физика твердого тела. – М.: Высшая школа, 2000. – 494 с.
16. Васенков А., Епифанова В., Юдинцев В. Микроэлектроомеханические системы. Настало время выходить в свет. – URL:http://computer-museum.ru/books/vasenkov/vasenkov_3-5.htm (дата обращения 3.03.2017).
17. Boisen A., Dohn S. Cantilever-like micromechanical sensors // Reports on Progressin Physics. – 2011. – Vol. 74M, № 3. – P. 30.
18. Ansari M.Z., Cho C. A Study on Increasing Sensitivity of Rectangular Microcantilevers Used in Biosensors // Sensors. – 2008. – Vol. 8. – P. 7530-7544.
19. Гусев Е.Ю., Гамалеев В.А., Михно А.С [и др.]. Оптимизация конструкции контактно-металлизационной системы пьезокантилевера для атомно-силовой микроскопии // Из-вестия ЮФУ. Технические науки. – 2014. – № 9 (158). – С. 158-165.
20. Коноплёв Б.Г., Агеев О.А., Коломийцев А.С. Формирование наноразмерных структур на кремниевой подложке методом фокусированных ионных пучков // Известия высших учебных заведений. Электроника. – 2011. – № 1 (87). – С. 29-34.
21. Коноплев Б.Г., Агеев О.А., Смирнов В.А. [и др.]. Модификация зондовых датчиков-кантилеверов для атомно-силовой микроскопии методом фокусированных ионных пуч-ков // Нано- и микросистемная техника. – 2011. – № 4. – С. 4-8. 22. Konoplev B.G., Ageev O.A., Smirnov V.A. [et al.]. Probe modification for scanning-probe mi-croscopy by the focused ion beam method // Russian Microelectronics. – 2012. – Vol. 41, No. 1. – P. 41-50.
23. Позняк Г.Г., Копылов В.В., Рогов В.А. Современные методы проектирования нанотехно-логических процессов в машиностроении. – М.:РУДН, 2008. – 114 с.
24. Назаров Д. Обзор современных программ конечно-элементного анализа. – URL: http://www.sapr.ru /article.aspx?id=6797 (дата обращения 5.03.2017).
25. Гусев Е.Ю. Разработка технологии изготовления микромеханического акселерометра на основе поликристаллического кремния методами поверхностной микрообработки // Из-вестия ЮФУ. Технические науки. – 2016. – № 10 (183). – С. 52-64.
26. French P.J. Polysilicon: a versatile material for Microsystems // Sensors and actuators A Phys-ical. – 2002. – Vol. 99. – P. 3-12.
