:: Articolo di AZoNanotechnology
Da AZoNano
Lista di Argomento
Sfondo
Limiti Fisici su Risoluzione della Forza del AFM
Influenza della Larghezza Di Banda di Misura
Sperimentale
Influenza della Selezione A Mensola
Riassunto
Sfondo
Il microscopio atomico della forza (AFM) sempre più sta utilizzando per le misure della forza nel regime del piconewton. Come tentativi sono le più piccole e più piccole forze che su misura diventa più importante capire parecchi fattori che influenzano la risoluzione della forza della tecnica. L'approccio ottico della leva provoca le misure straordinario sensibili di deformazione a mensola.
È sistematico ottenere i livelli acustici dell'sotto-Angstrom. Poiché le travi a mensola con le costanti della sorgente intorno a 10 pN/nm sono ampiamente - disponibile, questa sembrerebbe implicare che le misure delle forze del subpiconewton dovrebbero essere possibili. Tuttavia, questo purtroppo non è il caso.
I Limiti Fisici sul AFM Forzano la Risoluzione
I livelli acustici di deformazione dell'sotto-Angstrom che sono usati per specificare la prestazione del sistema ottico della leva sono misurati da refl che ecting il raggio laser fuori di un a mensola molto rigido o il substrato stesso della sonda. Quando questa superficie molto rigida è sostituita molto delicatamente da una trave a mensola il disturbo nella misura di deformazione più non è dominato dal disturbo nel sistema ottico della leva stesso, ma piuttosto dal disturbo termico della trave a mensola. Ciò è l'origine del termine “limitato termicamente„ che è usato spesso descrivere la prestazione di misura della forza. Il disturbo Termico è il risultato del moto Browniano intrinseco della trave a mensola. Dal equipartition theorem1, possiamo scrivere un'espressione per l'energia termica, kTb, collegante all'ampiezza media-quadrata del moto a mensola, il〉 del 〈2x e la costante della sorgente, K, della trave a mensola:
Equazione 1.
Da questo, possiamo derivare un'espressione semplice che permette che noi stimiamo il disturbo di media dei quadrati della root (RMS) per le misure della forza dovuto disturbo termico:
Equazione 2.
Se valutiamo questo per le costanti morbide della sorgente a mensola nell'ordine di 10-30 pN/nm, troviamo che il disturbo della forza di RMS dovrebbe essere all'incirca 6-11 PN. Tuttavia, questo solo completamente non definisce la risoluzione della forza delle misure del AFM.
Influenza della Larghezza Di Banda di Misura
Il disturbo termico della trave a mensola si presenta in una larghezza di banda vicino alla frequenza di risonanza della trave a mensola. Di Conseguenza la larghezza di banda di misura, determinata dalla frequenza di campionamento e da tutti i dati che fanno la media o altro che filtrano, può avere un grande effetto sui dati in vigore osservati di disturbo. Nelle soluzioni acquose, in cui molte di queste misure di regime del piconewton stanno effettuande, le frequenze di risonanza della maggior parte delle travi a mensola sono abbastanza basse, in genere meno di 10 chilocicli. Ciò è in conformità alla larghezza di banda possibile di misura del AFM. Per esempio, Bruker AFMs che funziona sul regolatore di NanoScope V può catturare le curve standard della forza alle tariffe di dati di fino a 40 chilocicli.
Facendo Uso della funzionalità Ad alta velocità dell'Acquisizione Di Dati Questo può essere aumentato tutto il modo fino a 50 Megahertz.
Tuttavia, la larghezza di banda di misura egualmente è determinata da tutta la filtrazione di dati che si presenta sul segnale di deformazione.
Ciò può comprendere i filtri analogici, i filtri digitali e fare la media di dati di base (cioè “muoversi„ o “vagone coperto„ che fa la media).
L'Analogo che filtra sul regolatore di NanoScope V soprattutto è inteso per diminuire gli effetti di aliasing causati dalle componenti di frequenza nel segnale che superano la Frequenza di Nyquist, che è metà della frequenza di campionamento. Di Conseguenza, il segnale “a bassa velocità„ normale di deformazione, campionato a 500 chilocicli, è filtrato a 200 chilocicli. Il segnale “ad alta velocità„ di deformazione, che può essere campionato a fino a 50 Megahertz, CA-è accoppiato e passa-basso è filtrato a circa 6,5 Megahertz.
Oltre a questa filtrazione analogica, un filtro digitale sul segnale di deformazione può facoltativamente essere utilizzato. Ciò può essere selezionata facendo uso “del parametro di Deformazione di LP„ trovato nell'ambito “dell'Altra„ lista di parametro.
La frequenza d'interdizione per questo filtro è selezionabile all'interno dell'intervallo di 2-20 chilocicli facendo uso “del parametro di Deformazione di LP„ trovato nell'ambito della lista di parametro “di Feedback„.
Per Concludere, i dati campionati possono più ulteriormente essere filtrati applicando una media mobile. Ciò può essere applicata in due modi diversi. In Primo Luogo, la tariffa di rampa ed il numero dei punti per curva (“Numero parametro dei Campioni„) determinano una tariffa globale dell'acquisizione di dati. Per esempio, una tariffa di rampa da 1 Hertz e 19968 punti per curva si combinano per dare la tariffa massima dell'acquisizione di dati di circa 40 chilocicli (1 Hertz = 0,5 s per direzione, che a 19968 punti per curva è circa 25 ìs per punto, o circa 40 chilocicli). Facendo Uso di meno punti per curva fa la media semplicemente più punti a downconvert il segnale ad una breve larghezza di banda. In Secondo Luogo, una media mobile può applicarsi ai dati facendo uso “del parametro dei Punti Medii„ trovato nell'ambito di ogni gruppo “di Manica„ nelle liste di parametro del modo della rampa. Ciò provoca la simile filtrazione dei dati ma conserva più punti per curva, che è importante quando funzioni adatte ai dati e per mantenere la buona risoluzione nell'asse di distanza dei dati.
L'effetto combinato “Tariffa di Scansione„, “dei parametri dei Punti Medii “e„ dei Campioni di Numero„ provoca un parametro chiamato “Efficace BW,„ che è trovato nell'ambito del gruppo di parametro del canale della rampa. Ciò è calcolata vicino:
Equazione 3.
Ciò è un preventivo della larghezza di banda di misura per quel canale di dati della curva della forza. Si Noti che il rolloff della filtrazione quella risultati da una media mobile differisce da quello di un filtro passa-basso da primo ordine usuale. Cioè l'attenuazione del segnale comincia bene alle frequenze sotto la frequenza d'interdizione calcolata in Eqn. (3) mentre l'attenuazione di un filtro passa-basso da primo ordine normale sarebbe soltanto - dB 3 alla frequenza d'interdizione. La tariffa del rolloff è aumentata mentre più punti sono utilizzati nella media, simile a per mezzo di un filtro di ordine superiore. L'effetto pratico di queste differenze è che l'efficace larghezza di banda calcolata sarà piuttosto superiore alla larghezza di banda reale, in modo da significa che le componenti di frequenza vicino alla parte alta della larghezza di banda saranno attenuate sostanzialmente.
Limitando la larghezza di banda in qualcuno di questi modi è possibile escludere una parte del disturbo termico dalle misure della forza. Ciò è forse la più bene illustrata considerando un tracciato di densità spettrale di potenza del segnale di deformazione, secondo le indicazioni di Figura 1. Ciò mostra che il disturbo termico (punti blu) si è adattato ad una funzione armonica semplice dell'oscillatore (linea rossa). Il disturbo si presenta Ovviamente in un picco concentrato sulla frequenza di risonanza della trave a mensola.
Integrando l'area nell'ambito di questo picco possiamo calcolare il disturbo della forza di RMS. Se fissiamo i limiti di integrazione alla larghezza di banda della nostra misura possiamo ottenere il disturbo teorico della forza di RMS per una larghezza di banda data. Sperimentalmente, tuttavia, è impossible da raggiungere una larghezza di banda di misura che limita precisamente la larghezza di banda all'intervallo desiderato perché le frequenze d'interdizione di filtrazione non sono infinitamente marcate.
Sperimentale
Le misure del rumore della forza di RMS sono state effettuate con la stessa trave a mensola utilizzata per misurare i dati nella Figura 1, che era la trave a mensola rettangolare su una sonda di Bruker MLCT con una costante 24,2 pN/nm della sorgente. Una serie di misure è stata effettuata per dimostrare l'effetto di ogni metodo di limitazione della larghezza di banda di misura. Secondo Eqn. (2), una trave a mensola con costante della questa primavera dovrebbe avere disturbo della forza di RMS di circa 10 PN.
Figura 1. Il tracciato di densità spettrale di potenza del segnale di deformazione mostra il disturbo termico che accade alla frequenza della trave a mensola, qui circa 4 chilocicli di risonanza. Le colonne mostrano il disturbo della forza di RMS che dovrebbe essere misurato in una larghezza di banda da CC alla frequenza indicata.
La Figura 2A mostra l'effetto di cambiamento della frequenza d'interdizione digitale del filtro passa-basso mentre tiene la tariffa dell'acquisizione di dati fissata a 40 chilocicli e senza alcun fare la media di dati. Poiché il rolloff del filtro digitale non è marcato quanto quello ottenuto dai dati che fanno la media, vediamo che il disturbo della forza è diminuito soltanto modestamente anche alla frequenza tagliata più bassa. Mentre efficace per la diminuzione del rumore ad alta frequenza, il filtro passa-basso digitale non è adatto molto bene per la diminuzione del disturbo termico a bassa frequenza. Si Noti che il disturbo totale misurato in una larghezza di banda fino a 20 chilocicli, il PN 10,9, è d'accordo bene con il valore preveduto di 10 PN.
La Figura 2. misure Sperimentali della forza di RMS diffonde in circostanze varie di misura. (A) tariffa di acquisizione di dati 40 di chilociclo, nessun fare la media, filtro passa-basso digitale permesso a (B) Nessun fare la media, un filtro passa-basso digitale da 20 chilocicli, tariffe differenti di acquisizione di dati determinate dal numero dei punti per curva (C) la tariffa dell'acquisizione di dati 20 di chilociclo, 20 chilocicli di lter passa-basso digitale di fi, larghezze di banda differenti determinate facendo la media indica.
La Figura 2B mostra l'effetto di cambiamento della tariffa dell'acquisizione di dati regolando il numero dei punti per curva. Richiami che questo provoca i dati che fanno la media per diminuire il numero dei punti di informazioni. Vediamo che per le tariffe dell'acquisizione di dati oltre la frequenza di risonanza che c'è poca variazione nel disturbo della forza. Tuttavia, alle tariffe pari o al di sotto della frequenza di risonanza i livelli acustici cominciano a cadere sostanzialmente, infine a di meno che la metà del valore originale.
Per Concludere, la Figura 2C mostra l'effetto di usando “il parametro dei Punti Medii„ per diminuire la larghezza di banda di misura mentre giudica la tariffa dell'acquisizione di dati ed il filtro passa-basso digitale fissati a 20 chilocicli.
I valori risultanti di disturbo di RMS sono molto simili a quelli ottenuti per le larghezze di banda equivalenti nella la Figura 2B, poichè dovrebbero essere poiché sono essenzialmente lo stesso tipo di filtrazione. Tuttavia, questo metodo offre il vantaggio di conservazione del numero totale dei punti per costante della curva proprio mentre la larghezza di banda è cambiata. Come precedentemente celebre, questo è spesso vantaggioso per mantenere la risoluzione sufficiente di distanza nelle curve della forza e fornire più punti per le operazioni tting di fi della curva (per esempio misure wormlike della catena ai dati di estensione). Troviamo che questo è il metodo il più generalmente utile di diminuzione dei dati in vigore misurati della spettroscopia di disturbo termico.
Influenza della Selezione A Mensola
Il disturbo termico misurato può più ulteriormente essere diminuito selezionando una trave a mensola con una frequenza di risonanza oltre la larghezza di banda di misura. Questo concetto è stato sfruttato dai gruppi che lavorano “alle piccole travi a mensola„. Queste travi a mensola hanno frequenze molto più alte di risonanza ed abbassano ammortizzare viscoso, che diminuisce il disturbo misurato della forza nella larghezza di banda di misura confrontata alle travi a mensola convenzionali.
Sebbene “le piccole travi a mensola„ vere ed il hardware compatibile non siano corrente disponibili nel commercio, alcune travi a mensola correnti hanno frequenze considerevolmente più alte di risonanza, anche in liquido. Quando per mezzo di queste più alte travi a mensola di frequenza di risonanza, più a basso rumore può essere raggiunto con la stessa larghezza di banda, o un'più alta larghezza di banda può essere usata mentre ancora ottengono un livello acustico equivalente.
Riassunto
Il livello acustico nelle misure della forza del AFM è limitato fondamentalmente dal disturbo termico intrinseco delle travi a mensola. Tuttavia, il disturbo termico misurato può essere diminuito tramite la selezione giudiziosa dei parametri che gestiscono la frequenza di campionamento di dati e fare la media dei dati campionati. Per uso generale della spettroscopia della forza, raccomandiamo di usando “il parametro dei Punti Medii„ per contribuire a diminuire il disturbo termico osservato mentre i punti di informazioni sufficienti ancora di mantenimento in ogni forza curvano.
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Questi informazioni sono state originarie, esaminate ed adattate dai materiali forniti da Bruker AXS.
Per ulteriori informazioni su questa sorgente visualizzi prego Bruker AXS.