Lab Manual: Atomic Force Microscopy (AFM)

Contents 1 Objectives and Learning Goals 2 2 Roadmap and Milestones 2 3 The 20.309 AFM System 2 3.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3.1.1 Motion control system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3.1.2 Optical system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3.1.3 Cantilever probes for imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3.1.4 Cantilevers for thermal noise measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3.2 Major operational steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.2.1 Power-on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.2.2 Signal connections and data °ow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.2.3 Laser alignment and di®ractive modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.2.4 Sample loading and positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.2.5 Engaging the tip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.2.6 Calibration and biasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.3 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3.3.1 Controls overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.3.2 Image mode operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.3.3 Z-mod (force spectroscopy) operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.3.4 Saving AFM data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.4 Additional instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.4.1 Di®erential ampli¯er . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.4.2 LabVIEW VIs for signal capture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 4 Experiment 1: Imaging 14 4.1 AFM resolution limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 4.2 Measuring Image Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 5 Experiment 2: Elastic Modulus 15 5.1 Data Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 6 Experiment 3: Measuring Boltzmann's Constant kB 17 6.1 Theory: thermomechanical noise in microcantilevers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 6.2 Calibration and biasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 6.3 Recording thermomechanical noise spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 6.4 Data analysis in MATLAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 7 Report Requirements 21 7.1 Calibration and noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 7.2 Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 7.3 Elastic modulus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 7.4 Measuring Boltzmann's constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 8 Useful References 23