In der dynamischen Rasterkraftmikroskopie wird das Schwingungsverhalten des Cantilevers durch nichtlineare Wechselwirkungskräfte zwischen der Messsonde und der zu untersuchenden Oberfläche beeinflusst. Die dabei auf die Probe ausgeübten momentanen Kräfte können grundsätzlich sowohl repulsiv als auch attraktiv sein.

Experimentelle Untersuchungen und entsprechende Simulationsrechungen zum Tapping Mode zeigen, dass durch geeignete Wahl der Systemparameter das Rasterkraftmikroskop im Bereich netto-attraktiver Wechselwirkungskräfte betrieben und dadurch das Risiko einer Modifikation der Probenoberfläche durch die Messsonde minimieren werden kann. Der dafür zur Verfügung stehende Parameterraum ist jedoch unter normalen Messbedingungen relativ eng begrenzt und ein stabiler Betrieb des Rasterkraftmikroskops in diesem Wechselwirkungsbereich nur schwer zu erreichen.

Mit Hilfe des Q-Control Moduls ist es möglich, durch gezielte Entdämpfung des dynamischen Systems die effektive Güte des oszillierenden Cantilever zu erhöhen und damit den Bereich netto-attraktiver Wechselwirkungskräfte zu erweitern. Die Methode erlaubt eine Minimierung der durch die oszillierende Messsonde auf die Probe ausgeübten Kräfte. Insbesondere empfindliche Oberflächenstrukturen können mit Q-Control wesentlich besser oder überhaupt erst rasterkraftmikroskopisch untersucht werden.

Q-Control Resonanzkurven an Luft

Typische Resonanzkurve eines in Luft wechselwirkungsfrei oszillierenden Silizium-Cantilevers. Durch Zuschalten von Q-Control ließ sich die effektive Güte von ca. 450 auf nahezu 20000 erhöhen. Der hohe Gütefaktor impliziert auch einen wesentlich steileren Verlauf des Phasensignals.

Q-Control Resonanzkurven in Flüssigkeit

In einem flüssiges Medium wird die Schwingung des Cantilevers durch hydrodynamische Kräfte stark gedämpft. Dies führt zu einer drastischen Verringerung der Güte bis typischerweise in den einstelligen Bereich und damit zu einer deutlichen Verringerung der Messempfindlichkeit. Quasi als Gegenmaßnahme erlaubt es das Q-Control-Verfahren, die effektive Güte unter Flüssigkeiten um bis zu drei Größenordnungen zu erhöhen.