AbstractsPhysics

Scanning force microscopy simulations of nanoparticles on insulating surfaces

by Olli Pakarinen




Institution: Helsinki University of Technology; Teknillinen korkeakoulu
Department: Department of Engineering Physics
Year: 2008
Keywords: Physics; force microscopy; SFM; AFM; nc-AFM; DFM; nanoclusters; atomivoimamikroskopia; SFM; AFM; nc-AFM; DFM; nanohiukkaset
Record ID: 1132657
Full text PDF: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/2997


Abstract

Scanning (atomic) force microscopy (SFM/AFM) is a surface science method capable of imaging surfaces with atomic resolution. SFM is a local probe method, closely related to other scanning probe microscopy methods like scanning tunneling microscopy (STM). Dynamic SFM studied in this thesis utilizes a very sharp tip at the end of an oscillating cantilever, and forms images of surfaces by measuring the tip-sample interaction while scanning very close (typically less than 1 nm) above the surface. Computational work is typically needed for interpretation of experimental SFM results, as the output of the instrument depends strongly on the atomic structure of the tip apex, unknown in most experiments. Simulations also open a window to view the atomic scale processes which determine the outcome of the experiment, and can show new ways to optimise the use of SFM. This dissertation presents computational simulations of scanning force microscopy, focusing on imaging nanoscale particles on insulating surfaces. Numerical methods to calculate the tip-sample interactions are developed. Simulations of atomic resolution contrast in SFM imaging are performed utilizing density functional theory as well as semiclassical methods. Larger scale simulations focusing on the tip convolution problem are made possible with the development of a numerical code calculating van der Waals interaction between arbitrarily shaped objects. The effect of humidity on particle-surface interaction is studied by development of another numerical code modeling the capillary forces. The described work generates new understanding of image formation in SFM, and of the change of behavior of capillary forces at the nanoscale. A new application to utilize the constant height mode of SFM to greatly diminish the tip convolution effect is presented, and its success is explained with simulations. Atomivoimamikroskopia (SFM/AFM) on pintatutkimustekniikka, jolla pintoja voidaan kuvantaa yksittäiset atomit erottavalla resoluutiolla. Tässä väitöstyössä tutkittu dynaaminen SFM perustuu oskilloivaan kannatinvarteen kiinnitettyyn erittäin terävään mittakärkeen. Mittakärjen ja tutkittavan pinnan välisen vuorovaikutuksen voimakkuus pienellä (tyypillisesti alle 1 nm) etäisyydellä saadaan mitattua varren oskillointitaajuuden muutoksesta, ja pinta kuvannettua mittaamalla taajuutta pinnan yllä paikan funktiona. Instrumentti muistuttaa läheisesti tunnelointimikroskooppia (STM), mutta erilaisen toimintaperiaatteensa vuoksi sillä on laajempi käyttöalue. Laskennallista tutkimusta tarvitaan kokeellisten SFM-tulosten tulkintaan, sillä instrumentin tuottamat tulokset riippuvat voimakkaasti mittakärjen atomirakenteesta, joka lähes kaikissa kokeissa on tuntematon. Simulaatioilla voidaan myös nähdä atomimittakaavan prosesseja, jotka vaikuttavat tuloksiin, sekä kehittää parempia tapoja atomivoimamikroskoopin käyttöön tutkimuksessa. Tämä väitöskirja esittää, miten atomivoimamikroskooppia voidaan mallintaa numeerisin simulaatioin erityisesti nanokokoisten hiukkasten tutkimuksessa…