5 lipca 2015 Sylwia Babicz-Kiewlicz Analiza obrazowania powierzchni na podstawie pomiarów wyższych harmonicznych drgań igły mikroskopu sił atomowych Szybki rozwój fizyki bliskich oddziaływań oraz zwiększająca się miniaturyzacja, powszechność i funkcjonalność elektronicznych urządzeń mikroskopowych, powodują intensywny postęp w dziedzinie badań bardzo małych obiektów i zjawisk zachodzących w skali mikroskopowej. Takie badania są szczególnie istotne dla technologii produkcji i eksploatacji różnych materiałów. Lata 80. i 90. XX wieku przyniosły wiele odkryć w dziedzinie nanotechnologii, badań morfologii powierzchni oraz jej obrazowania z bardzo wysoką rozdzielczością, co stało się jednym z istotnych motorów rozwoju nauki. Mikroskop sił atomowych (Atomic Force Microscope AFM), w porównaniu do swego poprzednika, skaningowego mikroskopu tunelowego, posiada wiele znaczących zalet, z których najważniejszą jest możliwość obrazowania wszystkich rodzajów powierzchni, takich jak polimery, ceramiki, kompozyty, szkło oraz żywe próbki biologiczne. Obrazowanie tych ostatnich jest możliwe nawet w środowisku zbliżonym do naturalnego, włączając w to badania w cieczach. Ponadto AFM może być wykorzystywanych do pomiarów krzywych siła-odległość. Krzywe te dostarczają wielu informacji na temat lokalnych właściwości próbki, takich jak adhezja, twardość czy elastyczność. Dodatkowych informacji może dostarczyć także analiza poziomu wyższych harmonicznych częstotliwości rezonansowej igły skanującej. Harmoniczne wynikające z nieliniowego charakteru oddziaływań igła-próbka mogą wskazać lokalne właściwości badanego materiału. W pracy doktorskiej przedstawiono system i oprogramowanie umożliwiające obrazowanie wyższymi harmonicznymi podczas badań mikroskopem sił atomowych. Ta metoda została wykorzystana do analizy kilku wybranych próbek materiałów o lokalnie różnych właściwościach. Ponadto
zaproponowano algorytm umożliwiający automatyczną poprawę jakości otrzymanych obrazów. Głównym celem pracy było stworzenie systemu umożliwiającego jednoczesne obrazowanie kilkoma wyższymi harmonicznymi w trakcie skanowania powierzchni próbki w różnych warunkach środowiskowych (np. podczas rozwoju korozji) oraz poprawa jakości otrzymanych obrazów. Istotną cechą proponowanego systemu pomiarowego jest jego niewielki koszt i łatwość implementacji w różnych modelach AFM bez ingerencji w budowę mikroskopu. W skład systemu wchodzą karta pomiarowa i urządzenie wirtualne rejestrujące sygnały generowane przez AFM z wystarczająco dużą częstotliwością. Zastosowanie programowej detekcji synchronicznej (lock-in amplifier) umożliwia ustalenie intensywności wyższych harmonicznych skanującej igły oraz zmniejszenie składowych losowych, występujących w warunkach prowadzonego eksperymentu. W pracy zaprezentowano zasadę działania i możliwości wykorzystania AFM do badań właściwości różnych obiektów. Przedstawiono podstawy matematyczne powstawania wyższych harmonicznych, wynikających z nieliniowości odziaływań igłapróbka podczas oscylacyjnego ruchu igły skanującej. Intensywność zjawisk nieliniowych podczas występowania wymienionych oddziaływań ma ścisły związek z fizycznymi właściwościami badanej próbki. Zatem obrazowanie wyższymi harmonicznymi może być wykorzystane do uzyskania informacji o występowaniu dodatkowych detali na badanej powierzchni w sposób efektywniejszy niż dedykowane oprogramowanie mikroskopu. Szczegółowo opisano opracowany system pomiarowy umożliwiający rejestrację sygnałów niezbędnych do detekcji poziomu wyższych harmonicznych. W skład systemu wchodzą karta pomiarowa oraz instrument wirtualny umożliwiające dostatecznie szybkie próbkowanie i zapisywanie sygnałów. Opracowane oprogramowanie pozwala na wykrywanie poziomu wyższych harmonicznych z wykorzystaniem programowej detekcji synchronicznej. Kolejne moduły oprogramowania umożliwiają analizę powstałych
obrazów, poprawę ich jakości oraz automatyczne łączenie obrazów wielu harmonicznych w celu optymalnego przedstawienia szczegółów powierzchni. Za pomocą opisanego systemu pomiarowego i oprogramowania przebadano kilka próbek materiałów. Przeprowadzone badania udowadniają, że obrazowanie wyższymi harmonicznymi jest najbardziej efektowne podczas badań materiałów heterogenicznych, o zróżnicowanej powierzchni. Ponadto, przedstawiona metoda pomiarowa może być z powodzeniem zastosowana w różnych warunkach środowiskowych, jak np. ciecz. Najbardziej interesujące wyniki zostały przestawione dla wybranych próbek materiałów o różnych właściwościach fizycznych, m.in. warystorów oraz stali. Badania powierzchni warystorów potwierdzają zasadność pomiarów dla próbek heterogenicznych o złożonej budowie topograficznej. Podobne efekty uzyskano podczas badania rozwoju zjawiska korozji. Można to wytłumaczyć między innymi właściwościami fizycznymi, np. wartością modułu Younga, w miejscu powstania tlenków będących efektem korozji. Ponadto, korozja powoduje powstanie wybrzuszeń i wgłębień, które również są bardzo dobrze obrazowane za pomocą wyższych harmonicznych. Badania potwierdzają tezę, że obrazowanie wyższymi harmonicznymi może być wykorzystane podczas monitorowania procesu korozji. W pracy poruszono także problem oceny jakości obrazów. W celu określenia przydatności obrazów do dalszej analizy wykorzystano dwa parametry statystyczne: stosunek sygnał-szum oraz entropię. Na podstawie tych parametrów określono obrazy o najlepszej jakości, które mogą być wykorzystane w algorytmie automatycznie łączącym najbardziej wartościowe obrazy. Potwierdza to drugą tezę, że ekspozycję wybranych szczegółów obrazów wyższych harmonicznych można poprawić za pomocą proponowanego postępowania na podstawie parametrów: stosunek sygnał-szum i entropii. Podsumowując, zaproponowany system pomiarowy i opracowane oprogramowanie mogą być z powodzeniem zastosowane w celu rozszerzenia
możliwości pomiarowych mikroskopów sił atomowych zarówno w powietrzu, jak i w cieczy. System umożliwia monitorowanie procesu korozji i innych powierzchni heterogenicznych. Zastosowany algorytm pozwala na wybór obrazów o najlepszej jakości i wykorzystanie ich do stworzenia jednego, najbardziej uwydatniającego detale badanej powierzchni.
Sylwia Babicz-Kiewlicz Analysis of Atomic Force Microscopy sufrace images by means of higer-harmonic tip vibrations modes The fast development of physics and electronics introduced new microscopic devices which enabled examining very small objects. Such examinations are important for technology development of various materials. Since the 20th century, when the science brought many discoveries in the field of nanotechnology, research on surface morphology and its imaging with very high resolution has become one of the most important issues. The atomic force microscope (AFM), as an alternative to the scanning tunnelling microscope (STM), has the advantage of imaging almost any type of surface, including polymers, ceramics, composites, glass, and live biological samples in conditions resembling their natural environment. Thanks to this property, the AFM can be effectively used to study biological samples. The AFM can also be used to measure force-versus-distance curves. Such curves, briefly called force curves, provide valuable information on local material properties like adhesion, hardness or elasticity. Moreover, additional information for some materials can be recovered by analysing higher cantilever modes when the cantilever motion is inharmonic and generates frequency components above the excitation frequency, usually close to the resonance frequency of the lowest oscillation mode. That method has been applied and developed in the doctoral dissertation because it can be relatively easily adopted in various AFM units by using the prepared measurement setup. The main aim of the research was to develop measurement systems for simultaneous analysis of multiple harmonics of AFM cantilever oscillations for surface imaging and its quality improvement at selected experimental conditions (e.g. during growth of corrosion products). The developed systems required preparation of a virtual instrument, recording the signals generated by the AFM at a sufficiently high frequency
and implementation of synchronous detection algorithms (lock-in amplifiers) to determine intensity of higher harmonics of the vibrating microscope cantilever by reducing background noise at various experimental conditions. This work highlights versatility of the atomic force microscopy and presents how it works. Mathematical analysis of tip-sample interaction and cantilever motion explain the origin of higher-harmonic generation in the recorded signal representing cantilever oscillations. The higher harmonics are generated due to the non-linear tip-sample interactions which depend on physical properties of the examined specimen. Thus, the higher-harmonic imaging may be used to visualize additional surface details in a better way than by the dedicated atomic force microscope software examining only topography of the specimen. The developed measurement systems for recording higher harmonics of the vibrating cantilever are presented in detail. The systems contain a virtual instrument, recording data at sufficiently high sampling frequency and controlling one of two different data acquisition boards. The systems enhance measurement capabilities of various AFMs as detachable units. Moreover, the dedicated software has been developed to analyse the recorded data. The software implements a lock-in amplifier and can generate higher-harmonic images. Moreover, additional software for the analysis and improvement of quality of the higher-harmonic images has been created. The software analyses the generated higher-harmonic images by automatically selecting the details from different images. The measurement setups and software were applied to analyse numerous experimental results. They confirmed their usefulness in different measurement conditions and for selected materials. The presented research results required continuous analysis of the AFM technique, the design of proposed measurement setups, and validity of numerous experimental studies.
The research covers numerous experimental results which include topography analysis and higher-harmonic imaging at various stages and environments (air or liquid). In addition, usability of higher-harmonic imaging for the surfaces having different material properties is described. The data for several selected materials have been compared. The identified details are visualized with the higher-harmonic imaging to expose their heterogeneous morphology. The most interesting experimental results were presented for selected specimens having different physical properties, ZnO grains and AISI304 austenitic steel. The experimental results suggest that higher harmonics can expose differences in examined heterogeneous structures with significantly various physical properties of their components. Very similar effects were observed during corrosion processes monitoring in steel. The differences between higher-harmonic images during corrosion product development were identified. This fact can be explained again by significantly different Young s modulus of steel and oxides resulting from corrosion. Corrosion phenomena caused growth of oxides and development of local pits, resulting in heterogeneity of the examined surface (its locally different physical properties). These results confirm that corrosion processes can be monitored by higher harmonics. Thus, it can be stated that the experimental studies prove the assertion: higher-harmonic imaging can be used efficiently during corrosion process monitoring to reveal differences in various corrosion products. Furthermore, the problem of image quality and its information content has been considered. Statistical measures, like signal-to-noise ratio and entropy, have been applied to figure out the content of the analysed images. These efforts have resulted in the proposal of an algorithm automatically exposing selected details from various higherharmonic images. The new algorithm combines the analysed pictures by considering selected statistical parameters. The obtained results confirmed the second assertion: exposure of the selected details may be improved by using the higher-harmonic images and the proposed procedure based on the parameters: signal-to-noise ratio and entropy.
It can be concluded that the prepared measurement systems and the developed software can be successfully used for various AFM units when the cantilever oscillates in either air or liquid. Thus, the system can monitor corrosion processes or some other heterogeneous structures, as confirmed by the experimental results.