Analysis of cantilevers for high-speed atomic force microscopy

Abstract

In life sciences, High-Speed Atomic Force Microscopy (HS-AFM) is now widely accepted as a dynamic event visualizer for numerous biological samples such as live cells, membrane lipids, ATP-proteins, enzymatic reactions, DNA-protein interactions, etc. HSAFM’s unique ability to observe surface topography of the samples with height data and with a resolution of up-to a single atom makes it a prominent tool in Nano measurements. HS-AFM Imaging technique’s speed and response is limited by various factors including cantilever probes, operating environment, scanning techniques etc. Cantilevers are indispensable and integral part of HS-AFM Systems, thereby necessitating their own critical evaluations. Therefore, evaluation of various parameters like resonance frequency, stiffness and Q-factor of cantilevers is an active area of research. The simulated research work mimics the experimental conditions of HS-AFM operation in air and liquid environment. The damping mechanisms such as viscous and acoustic damping of the medium, squeeze film damping, and damping due to viscoelasticity of the material are included in the finite element simulations. High frequency soft cantilevers suitable for HS-AFM with the stiffness of ~1 N/m and with the first flexural eigenmode resonance frequency of ~1.5 MHz (in liquid) and ~5 MHz (in air) are studied. Numerous small rectangular and modified cantilevers of Silicon and Polymer (SU-8) materials with the length of ~5 to 10 μm, width of ~1 to 2.5 μm and thickness of ~0.1 to 0.6 μm are analyzed. Our aim in this research is to identify appropriate cantilever geometries and materials for HS-AFM applications.

Yaşam bilimlerinde, Yüksek-Hızlı Atomik Kuvvet Mikroskobu (YH-AKM) canlı hücreler, membran lipidleri, ATP-proteinleri, enzimatik reaksiyonlar, DNA-protein etkileşimleri, vs., gibi birçok biyolojik örneğin dinamik olay görüntüleyicisi olarak günümüzde yaygın bir şekilde kabul edilmektedir. YH-AKM’nin örneklerin yüzey topografyasını yükseklik bilgisiyle ve tek atom çözünürlüğüne kadar eşsiz gözlemleyebilme yetisi onu Nano ölçümlerde önde gelen bir araç haline getirmiştir. YH-AKM görüntüleme tekniğinin hızı ve tepkisi konsol probları, işletim ortamı, tarama teknikleri, vs., gibi çeşitli faktörler tarafından kısıtlanmıştır. Konsollar YH-AKM sistemlerinin vazgeçilmez ve dahili parçalarıdırlar, dolayısıyla, onların kendi kritik değerlendirilmeleri gerekir. Bu yüzden, rezonans frekansı, sertlik, ve Q-faktörü gibi çeşitli parametrelerin değerlendirilmesi aktif araştırma alanlarıdır. Bu simülasyon tabanlı araştırma çalışması YH-AKM operasyonunun hava ve sıvı ortamlarında deneysel koşullarını taklit etmektedir. Ortamın viskoz ve akustik sönümlemesi, sıkma film sönümlemesi, ve malzemenin viskoelastisitesinden kaynaklanan sönümleme gibi sönümleme mekanizmaları sonlu eleman simülasyonlarına dahil edilmiştir. YH-AKM’ye uygun, sertlikleri ~1 N/m ve birinci normal titreşim modu rezonans frekansları ~1.5 MHz (sıvıda) ve ~5 MHz (havada) olan yüksek frekanslı yumuşak konsollar üzerine çalışılmıştır. Silisyum ve Polimer (SU-8) malzemeden yapılmış uzunlukları ~5 to 10 μm, genişlikleri ~1 to 2.5 μm, ve kalınlıkları ~0.1 to 0.6 μm aralıklarında olan çeşitli küçük dikdörtgen ve değiştirilmiş konsollar analiz edilmiştir. Bu araştırmada amacımız YH-AKM uygulamalarını uygun konsol geometrilerini ve malzemelerini tespit etmektir.