Фазовое изображение / Фазодетекторная микроскопия (PDM)

Фазовое изображение механических характеристик образца

Фазовое изображение, также называется фазодетекторной микроскопией (PDM) – это еще одна методика, которая используется для характеристики механических свойств поверхности образца, например, эластичности, адгезии, трения. Фазовое изображение можно получить в момент работы АСМ серии XE в других режимах, например, неконтактном АСМ, полуконтактном АСМ (IC-AFM) или MFM. Фазовое изображение также обрабатывается в режиме модуляционной силовой микроскопии  (FMM).

Рисунок 1. Смещение фазы изменяется в зависимости от механических свойств поверхности образца

Фазовое изображение представляет собой фазовый сдвиг между сигналом, задающим частоту колебаний кантилевера, и выходным сигналом колебания кантилевера, как показано на рисунке 1. Изменения в фазовом сдвиге отражает вариацию механических характеристик поверхности образца. Контур обратной связи системы работает обычным образом, на основании изменений режима отклонения кантилевера или амплитуды его вибрации выполняется топография образца. Фазовый сдвиг контролируется при выполнении топографического изображения, поэтому топографию поверхности и изображение свойств материала можно воспроизводить одновременно.

Основная задача определения фазы заключается в получении информации о свойствах материалов, особенно в отношении образцов, топография которых лучше всего измеряется неконтактным методом АСМ (см. True Non-Contact Mode). Для данных образцов фазовое изображение является хорошей альтернативой модуляционной силовой микроскопии, в которой применяется контактный АСМ для измерения топографии. На рисунке 2 отображается топография True Non-Contact АСМ (a) и фазовое изображение (b) блока сополимера. Фазовое изображение обеспечивает дополнительную информацию для топографического снимка, оно показывает вариацию механических свойств поверхности блока сополимера.

Рисунок 2. (a) Изображение в режиме неконтактного АСМ и фазовое изображение (b) блока сополимера, которые получаются одновременно. Поле обзора 1 мкм × 1 мкм.

При работе в неконтактном режиме АСМ серии XE, получаются три сигнала: топографический, амплитудный NCM и фазовый NCM. Пусть кантилевер испытывает свободные колебания. Как только он достигает поверхности образца, амплитуда снижается и происходит фазовый сдвиг относительно сигнала свободных колебаний, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Резонансная кривая колебаний кантилевера по мере приближения к поверхности образца

Чтобы кантилевер повторял топографию поверхности образца в неконтактном режиме True Non-Contact, можно использовать амплитуду или фазу, как параметр обратной связи. Если используется только амплитудная, обратная связь, изменение амплитуды должно быть малозаметным, но изменение фазы становится существенным при сканировании изображения. Если в качестве обратной связи для Z-сканера используется амплитуда и фаза, можно компенсировать изменение фазы вариацией амплитуды. В результате компенсации, дельта амплитуды может нарастать, а величина сдвига фазы снижаться относительно значения в  обратной связи по амплитуде. Так как в режиме True Non-Contact серии XE обратная связь выполняется по амплитуде и по фазе, фазное изображение получается более контрастным по сравнению с изображением в режиме True Non-Contact АСМ, когда используется только амплитуда в качестве обратной связи (пользователь может включить обратную связь по амплитуде в окне развертки по частоте NCM «frequency sweep»). На рисунке 4 показано топографическое изображение True Non-Contact АСМ (a) и фазовое изображение (b) полимера OPV.

Риисунок 4. (a) Изображение True Non-Contact АСМ и фазовое изображение (b) полимера OPV, которые получаются одновременно. Поле обзора 3 мкм × 3 мкм.

Микроскопы, работающие в режиме фазового изображения: