pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2026-17-2-141-150pimi-1049Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsКомплексное влияние параметров системы зонд– образец на режим колебаний зонда и формирование биустойчивости в полуконтактной атомно-силовой микроскопииComplex Influence of Probe–Sample System Parameters on the Probe Oscillation Mode and Formation of Bistability in Tapping Atomic Force MicroscopyАбетковскаяС. О.AbetkovskaiaS. O.

Адрес для переписки:Абетковская С. О.Институт теплои массообмена имени А.В. Лыкова НАН Беларуси,ул. П. Бровки, 15, г. Минск 220072, Беларусьe-mail: abetkovskaia@mail.ru

Address for correspondence:Abetkovskaia S. O.A.V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of NAS of Belarus,Brovki str., 15,Minsk 220072,Belarus e-mail: abetkovskaia@mail.ru

abetkovskaia@mail.ruЧижикС. А.ChizhikS. A.

г. Минск

Minsk

ЮйГуанбинYuGuangbin

ул. Cида, 92, Наньган, г. Харбин 150001, Китай

Xida str., 92, Nangang,Harbin 150001,China

ЛапицкаяВ. А.LapitskayaV. A.

г. Минск

Minsk

Институт тепло- и массообмена имени А.В. Лыкова НАН БеларусиБеларусьA.V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of NAS BelarusBelarusХарбинский технологический институтКитайHarbin Institute of TechnologyChina202608072026172141150Copyright © Абетковская С.О., Чижик С.А., Юй Г., Лапицкая В.А., 20262026Абетковская С.О., Чижик С.А., Юй Г., Лапицкая В.А.Abetkovskaia S.O., Chizhik S.A., Yu G., Lapitskaya V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/1049

Включение полуконтактного режима атомно-силовой микроскопии не гарантирует реализации именно прерывисто-контактного взаимодействия: в зависимости от сочетания параметров система зонд–образец может вместо этого проявлять бесконтактное (притягивающее) либо смешанное поведение. Последнее является нежелательным из-за нестабильности сканирования, известной как биустойчивость колебаний зонда. Целью данной работы являлось выявление влияния каждого из комплекса параметров зонда (изгибная жёсткость и добротность), образца (модуль Юнга, постоянная Гамакера) и сканирования (амплитуда колебаний пьезогенератора) на реализацию биустойчивого режима взаимодействия, а также нахождение условий достижения стабильного полуконтактного взаимодействия зонда и образца. Решалось уравнение колебаний острия зонда с учётом упруго-адгезионного контакта зонда и образца по модели Джонсона–Кенделла–Робертса. Получены зависимости характеристик динамического взаимодействия зонда и образца от расстояния между зондом и образцом. Зависимости проанализированы на предмет переключения между отталкивающим и притягивающим режимами взаимодействия. Результаты наглядно демонстрируют, какой из режимов динамического взаимодействия реализуется при том или ином сочетании параметров, и применимы на практике для выбора зондов. Получены закономерности: упругий (собственно полуконтактный) режим взаимодействия реализуется при повышении амплитуды колебаний пьезоэлемента, более высоких значениях жёсткости и добротности зонда, модуля Юнга материала образца и/или при более низких значениях постоянной Гамакера образца. Более высокие значения постоянной Гамакера и/или меньшие значения остальных параметров приводят к смешанному режиму взаимодействия. При еще более высокой постоянной Гамакера и дальнейшем снижении величин других параметров возможна реализация адгезионного режима (бесконтактная атомно-силовой микроскопия).

Engaging the tapping mode in atomic force microscopy does not guarantee intermittent-contact interaction; depending on the parameters combination, the probe–sample system may instead exhibit non-contact (attractive) or mixed behavior. The mixed mode is undesirable due to scanning instability, known as bi-stability of probe oscillations. Aim of this work was to identify influence of probe (spring constant and quality factor), sample (the Young modulus, the Hamaker constant), and scanning (oscillation amplitude of the piezoelectric generator) parameters on the implementation of the bistable interaction mode, as well as to find conditions for achieving stable semi-contact interaction between the tip and sample. Еquation of probe tip oscillations was solved taking into account elastic-adhesive contact of the tip and the sample according to the Johnson–Kendall–Roberts model. Dependencies of the dynamic interaction characteristics of the probe and sample on the distance between them were obtained. These dependencies were analyzed to determine if there was switching between repulsive and attractive interaction modes. Results clearly demonstrated which of the dynamic interaction modes was realized with a particular combination of parameters. Conclusions are applicable in practice to choose probes. The following regularities were obtained. The elastic (actually semi-contact, tapping) interaction mode is realized with an increase in the amplitude of piezoelectric generator oscillations, higher values of the spring constant and quality factor of the probe, the Young modulus of the sample material and/or at lower values of the Hamaker constant of the sample. Higher values of the Hamaker constant and/or lower values of other parameters lead to a mixed interaction regime. Having even higher Hamaker constant and further reduction in other parameters, the adhesion mode (non-contact atomic force microscopy) can be realized.

атомно-силовая микроскопия (АСМ)полуконтактный режиммодуль Юнгапостоянная Гамакерабиустойчивость колебаний зондаatomic force microscopy (AFM)tapping modethe Young modulusthe Hamaker constantbi-stabilityThe work was carried out within the framework of task 3.03.3 of the State Program for Scientific Research "Convergence-2025" for 2021–2025.ReferencesAbetkovskaia SO, Chizhik SA. Complex influence of probe and material characteristics, amplitude of piezogenerator vibration on probe oscillation mode in tapping atomic force microscopy. Methodological aspects of scanning probe microscopy : XIV International Conf., dedicated to the memory of Tatiana Anatolievna Kuznetsova, Minsk, October 21–24, 2025: proceedings. 2025;99-103. (In Russ.).Abetkovskaia SO, Chizhik SA. Complex influence of probe and material characteristics, amplitude of piezogenerator vibration on probe oscillation mode in tapping atomic force microscopy. Methodological aspects of scanning probe microscopy : XIV International Conf., dedicated to the memory of Tatiana Anatolievna Kuznetsova, Minsk, October 21–24, 2025: proceedings. 2025;99-103. (In Russ.).Derjaguin BV, Muller VM, Toporov YuP. Effect of contact deformations on the adhesion of particles. J. of Colloid and Interface Sci. 1975;53(2):314-326. DOI: 10.1016/0021-9797(75)90018-1Derjaguin BV, Muller VM, Toporov YuP. Effect of contact deformations on the adhesion of particles. J. of Colloid and Interface Sci. 1975;53(2):314-326. DOI: 10.1016/0021-9797(75)90018-1García R, Pérez P. Dynamic atomic microscopy methods. Surf. Sci. Rep. 2002;47:197-301. DOI: 10.1016/S0167-5729(02)00077-8García R, Pérez P. Dynamic atomic microscopy methods. Surf. Sci. Rep. 2002;47:197-301. DOI: 10.1016/S0167-5729(02)00077-8Keyvani A. Tamer MS, van Wingerden J-W, Goosen JFL, van Keulen F. A comprehensive model for transient behavior of tapping mode atomic force microscope. Nonlinear Dynamics.2019;97:1601-1617. DOI: 10.1007/s11071-019-05079-2Keyvani A. Tamer MS, van Wingerden J-W, Goosen JFL, van Keulen F. A comprehensive model for transient behavior of tapping mode atomic force microscope. Nonlinear Dynamics.2019;97:1601-1617. DOI: 10.1007/s11071-019-05079-2Gleyzes P, Kuo PK, Boccara A. Bistable behavior of a vibrating tip near a solid surface. Appl. Phys. Lett. 1991;58(25):2989-2991. DOI: 10.1063/1.104690Gleyzes P, Kuo PK, Boccara A. Bistable behavior of a vibrating tip near a solid surface. Appl. Phys. Lett. 1991;58(25):2989-2991. DOI: 10.1063/1.104690Sarid D. Scanning force microscopy with applications to electric, magnetic and atomic forces. New York; 1994.263 p.Sarid D. Scanning force microscopy with applications to electric, magnetic and atomic forces. New York; 1994.263 p.Anczykowski B, Krüger D, Babcock KL, Fuchs H. Basic properties of dynamic force spectroscopy with the scanning force microscope in experiment and simulation. Ultramicroscopy. 1996;66(3-4):251-259. DOI: 10.1016/S0304-3991(97)00002-8Anczykowski B, Krüger D, Babcock KL, Fuchs H. Basic properties of dynamic force spectroscopy with the scanning force microscope in experiment and simulation. Ultramicroscopy. 1996;66(3-4):251-259. DOI: 10.1016/S0304-3991(97)00002-8Nony L, Boisgard R, Aime JP. Nonlinear dynamical properties of an oscillating tip–cantilever system in the tapping mode. J. of Chem. Phys. 1999;111(4):1615-1627. DOI: 10.1063/1.479422Nony L, Boisgard R, Aime JP. Nonlinear dynamical properties of an oscillating tip–cantilever system in the tapping mode. J. of Chem. Phys. 1999;111(4):1615-1627. DOI: 10.1063/1.479422García R, San Paulo A. Attractive and repulsive tip-sample interaction regimes in tapping-mode atomic force microscopy. Phys. Rev. B. 1999;60(7):4961-4967. DOI: 10.1103/PhysRevB.60.4961García R, San Paulo A. Attractive and repulsive tip-sample interaction regimes in tapping-mode atomic force microscopy. Phys. Rev. B. 1999;60(7):4961-4967. DOI: 10.1103/PhysRevB.60.4961San Paulo Á, García R. Unifying theory of tapping-mode atomic-force microscopy. Phys. Rev. B. 2002;66:041406(R). DOI: 10.1103/PhysRevB.66.041406San Paulo Á, García R. Unifying theory of tapping-mode atomic-force microscopy. Phys. Rev. B. 2002;66:041406(R). DOI: 10.1103/PhysRevB.66.041406Kiracofe D, Melcher J, Raman A. Gaining insight into the physics of dynamic atomic force microscopy in complex environments using the VEDA simulator. Rev. of Sci. Instr. 2012;83(1):013702. DOI: 10.1063/1.3669638Kiracofe D, Melcher J, Raman A. Gaining insight into the physics of dynamic atomic force microscopy in complex environments using the VEDA simulator. Rev. of Sci. Instr. 2012;83(1):013702. DOI: 10.1063/1.3669638Li YingZi, Qian JianQiang, Li XiaoFeng, Li Yuan, Hua BaoCheng, Yao JunEn. Elimination of bistability in constant-phase mode in atomic force microscopy. Appl. Phys. 2012;57(5):460-465. DOI: 10.1007/s11434-011-4825-0Li YingZi, Qian JianQiang, Li XiaoFeng, Li Yuan, Hua BaoCheng, Yao JunEn. Elimination of bistability in constant-phase mode in atomic force microscopy. Appl. Phys. 2012;57(5):460-465. DOI: 10.1007/s11434-011-4825-0Söngen H, Bechstein R, Kühnle A. Quantitative atomic force microscopy. J. of Phys.: Condensed Matter. 2017;29:274001. DOI: 10.1088/1361-648X/aa6f8bSöngen H, Bechstein R, Kühnle A. Quantitative atomic force microscopy. J. of Phys.: Condensed Matter. 2017;29:274001. DOI: 10.1088/1361-648X/aa6f8bAbetkovskaia SО, Chizhik SА. Influence of the probe spring constant and the quality factor on its oscillation characteristics in dynamic mode of atomic force microscopy. Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus. 2024;68(6):513-518. DOI: 10.29235/1561-8323-2024-68-6-513-518Abetkovskaia SО, Chizhik SА. Influence of the probe spring constant and the quality factor on its oscillation characteristics in dynamic mode of atomic force microscopy. Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus. 2024;68(6):513-518. DOI: 10.29235/1561-8323-2024-68-6-513-518Abetkovskaia SO, Chizhik SA, Guangbin Yu. Tapping mode of an atomic force microscope with a probe cantilever of a low spring constant. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-tekhnichnykh navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series. 2025;70(1):57-68. DOI: 10.29235/1561-8358-2025-70-1-57-68Abetkovskaia SO, Chizhik SA, Guangbin Yu. Tapping mode of an atomic force microscope with a probe cantilever of a low spring constant. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-tekhnichnykh navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series. 2025;70(1):57-68. DOI: 10.29235/1561-8358-2025-70-1-57-68

The authors declare that there are no conflicts of interest present.