Diplomityö atomivoimamikroskoopin mittauskärjen jousivakion määrittämisestä

Susanna Vesamo diplomityöAtomivoimamikroskooppeja käytetään yleisesti pinnan­muotojen mittaamiseen nanometrialueella. Ne soveltuvat kuitenkin myös materiaalien mekaanisten ominaisuuksien määrittämiseen, kun mitataan atomivoimamikroskoopin kärjen ja materiaalien välinen pieni voima. Jotta voima voidaan määrittää Hooken lain avulla, mittauskärjen jousivakio täytyy tuntea tarkasti. Susanna Vesamo tutki diplomityössään* erilaisia menetelmiä mittauskärjen jousivakion selvittämiseksi tavoitteena löytää rutiininomaiseen käyttöön sopiva menetelmä.

Jousivakion määrittämiseksi on kehitetty useita erilaisia tapoja: kärjen mittasuhteisiin ja materiaalin ominaisuuksiin perustuvia teoreettisia malleja, staattisia kokeellisia menetelmiä, joissa kärkeen kohdistetaan tunnettu voima ja mitataan kärjen poikkeuma sekä dynaamisia menetelmiä, joissa mitataan mittauskärjen resonanssitaajuus. Diplomityössä tutkittaviksi menetelmiksi valittiin staattinen voiman mittaaminen sekä dynaamiset termisen kohinan tehospektrin ja kärjen värähtelyn väliaineessa mittaaminen (ns. Saderin menetelmä). Staattinen menetelmä on helpommin jäljitettävissä SI-järjestelmään ja sillä on mahdollista saavuttaa pieni epävarmuus. Tutkitut dynaamiset tekniikat puolestaan ovat riippumattomia kärjen materiaalista ja pinnoitteesta ja niiden mittausjärjestelyt vaativat vähemmän laitteita.
Työn tutkimuksissa kävi ilmi, että Saderin menetelmällä saadut tulokset poikkesivat selvästi kahden muun tuloksista. Lisäksi havaittiin, että terminen ja voiman mittaamiseen perustuva menetelmä antoivat pehmeille mittauskärjille samankaltaisia tuloksia, kun taas jäykille kärjille (k > 1 N/m) terminen ei soveltunut. Termistä menetelmää voisi siten käyttää pehmeiden mittauskärkien rutiinikalibrointeihin. Kun voiman mittaamiseen yhdistetään samanaikainen kärjen aiheuttaman vaa’an painauman laserinterferometrinen mittaus, on mahdollista saavuttaa tarkkoja ja jäljitettäviä tuloksia sekä pehmeille että jäykille kärjille laitteiston kuitenkin edelleen monimutkaistuessa.

* Susanna Vesamo: Determination of spring constants in atomic force microscopes.
http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201410062756

Lisätiedot: tutkija Susanna Vesamo, etunimi.sukunimi@vtt.fi, tutkija Virpi korpelainen, etunimi.sukunimi@vtt.fi, p. 029 5054 412​