다중 조화파 신호 분석을 이용한 동역학 힘 현미경에서의 정확하고 일반적인 힘 분석 및 복원 방법 구현
Universal Theory of Dynamic Force Microscopy for Exact and Robust Force Reconstruction Using Multiharmonic Signal Analysis
동역학 힘 현미경법(dynamic force microscopy)에서 탐침-시료 힘 복원은 적분의 역변환을 수반하는 비자명한 문제이다. 하지만 캔틸레버의 공명진동수에서의 단일 진동수 떨림 정보만을 이용하는 기존의 힘 복원 방법들은 힘이 매우 비선형적인 구간에서 진동진폭이 상호작용의 감쇠길이와 상응하게 될 때 복원이 부정확해지고 불안정해진다는 문제점이 제기되었다. 이에 본 연구에서는 다중 조파 신호 분석 기반의 동역학 힘 현미경법을 이론적으로 구축하여, 동역학 힘 현미경의 두 가지 작동 방식에 적용 가능하고 모든 진동진폭과 탐침-시료 거리에서 유효하며 보존력과 비보존력을 정확하고 일반적으로 복원하는 힘 복원법을 제공한다. 이 힘 복원법은 기존의 방법에 비해 진동진폭이 감쇠길이에 상응하거나 작을 경우 100배 그리고 클 경우 10배 높은 힘 최소점에서의 정확도(accuracy)를 보인다. 또한 이 힘 복원법은 진동진폭 오류에 더 강인하여 5배 높은 정밀도(precision)를 보인다. 결론적으로 본 연구는 기존 방법론을 능가하는 정확도와 안정성을 지닌 신속하고 보편적인 나노역학적 힘 분석 플랫폼을 제시한다.
Force reconstruction in dynamic force microscopy (DFM) is a nontrivial problem that requires deconvolution of integrals. However, conventional reconstruction methods, which recover forces from single-frequency motion of the cantilever at its resonance, exhibit non-negligible error and reconstruction instability in the highly nonlinear force regime when the tip oscillates with its amplitude comparable to the decay length of the interaction. Here, we develop a theoretical platform of DFM based on multiharmonic signal analysis for exact and robust reconstruction of conservative and dissipative forces, valid for all oscillation amplitudes and entire tip-sample distances in both amplitude- and frequency-modulation atomic force microscopy. We achieve accuracy improvement by an order of
magnitude for oscillation amplitudes comparable to or larger than the decay length, and by 2 orders of magnitude for smaller amplitudes at the force minimum, even in cases where conventional methods show poor accuracy (). Moreover, we obtain greater robustness with respect to the oscillation amplitude error, resulting in a five-fold increase in reconstruction precision. Our results demonstrate a fast and versatile reconstruction scheme for nanomechanical force characterization, with higher harmonics measured with sufficient signal-to-noise ratio, which provides unprecedented accuracy and stability beyond conventional methods.
Authors: Sunghoon Kim, Joon-Hyuk Ko, Wonho Jhe (Seoul National University)
Phys. Rev. Lett. 126, 076804
Published: 19 February 2021
Link: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.076804
