Kinetic inductive electromechanical transduction for atomic force microscopy
Tid: Fr 2024-06-14 kl 09.00
Plats: FA32, Roslagstullsbacken 21, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Fysik, Material- och nanofysik
Respondent: Ermes Scarano , Tillämpad fysik, Quantum and Nanostructure Physics
Opponent: Dr John D. Teufel, Advanced Microwave Photonics Group, NIST, Boulder CO, USA
Handledare: David B. Haviland, Fysik, Nanostrukturfysik, Albanova VinnExcellence Center for Protein Technology, ProNova, Nordic Institute for Theoretical Physics NORDITA
QC 2024-05-21
Abstract
Atomkraftsmikroskopet (AFM) anses vara ett av de mest kraftfulla verktygen inom ytvetenskap tack vare dess förmåga att detektera krafter i nanoskala och avbilda ytor med hög lateral upplösning. AFM använder en mikro-vipparm med en skarp spets som en kraftgivare som drivs i närheten av en yta. Kraftavkänning vid nanoskala i AFM uppnås genom att mäta rörelsen hos vipparmen under påverkan av den lokaliserade spets-yta-interaktionen.Kavitetsoptomekanik tillhandahåller ett ramverk för att detektera vipparmens rörelse vid den grundläggande känslighetens gräns.
Denna avhandling tillämpar principerna för kavitetsoptomekanik för att implementera en integrerad kraftsensor som uppfyller kraven för AFM-applikationer vid låga temperaturer, med målet att förbättra känsligheten och hastigheten för avbildning för AFM.Den optiska kaviteten ersätts av en supraledande mikrovågsresonanskrets och den optomekaniska detekteringsprincipen är baserad på en ny typ av elektromekanisk koppling utvecklad av vår grupp. Kompressions- eller dragpåkänning som produceras av böjningen av en oscillerande mikro-vipparmen orsakar en förändring i den kinetiska induktansen hos en slingrande supraledande nanotråd, och ändrar därigenom resonansfrekvensen för ett hög-Q mikrovågsmod.Vi diskuterar design- och tillverkningsprocesserna för att utveckla dessa sensorer, inklusive avsättning av vassa, ledande spetsar. Mikrovågsresonanskretsen är förverkligad i en helt koplanär arrangemang från ett tunn-film lager av supraledande NbTiN avsatt på ett SiN-skikt på ett Si-substrat. SiN-skiktet frigörs sedan från substratet för att bilda mikro-vipparmen.
Vi presenterar experimentell data som karakteriserar egenskaperna hos mikrovågsresonatorn, vipparmens böjningsegenmod och interaktionen mellan de två genom den kinetisk-induktiva elektromekaniska kopplingen.Vi presenterar olika mättekniker för att implementera rörelsedetektering för de typiska driftsätten i traditionell AFM, samt ytterligare metoder specifika för elektromekanisk detektering.Slutligen presenterar vi utvecklingen av en prototyp för AFM-skanningssystem för låga temperaturer, byggt inuti ett utspädningskylskåp. Med denna prototyp demonstrerar vi detektering av spets-ytkraftgradienter och initiala försök till avbildning med elektromekanisk detektering av rörelse.