Detekce ohybu

Oproti STM přibývá v mikroskopu atomárních sil zvláštní detektor měřicího signálu, detektor ohybu. Historicky první konstrukce používaly „dvojitý“ mikroskop, v němž AFM nosník, pokovený z odvrácené strany, sledoval povrch vzorku a jeho pohyb byl snímán STM hrotem, takže v obvodu pracovaly dvě zpětné vazby. Nevýhoda uvedené konstrukce je zřejmá: nákladnost snímače, malá odolnost proti mechanickým otřesům, vliv nečistot na povrchu nosníku a především síla působící mezi STM hrotem a AFM nosníkem, zkreslující výsledky (i když při konstantním proudu by měla být konstantní). Výhodou je naopak nízký tepelný drift.

Další, méně používanou, metodou je detekce ohybu pomocí kapacitního snímače. Na mikroskopu je jedna pevná elektroda, druhá je tvořena pokovením nosníku a dohromady vytvářejí kondenzátor, jehož kapacita se mění s ohnutím nosníku. Opět i zde je nosník ovlivňován elektrostatickou silou.

V současnosti nejběžnější detektor ohnutí je tvořen laserovou diodou, která vytváří skvrnu konečné velikosti a ta dopadá na špičku nosníku a od něj se odráží. Odražené světlo dopadá na světelný detektor, který je rozdělen na dvě citlivé části. Před vlastním měřením se systém mechanicky vyváží tak, aby energie svazku dopadající do obou duantů byla stejná. Při měření se ohyb δ nosníku délky l projeví posunem odrazu (úhlová změna 2δ/l), takže energie v jednotlivých duantech už nebudou stejné a z jejich velikostí je možno určit vychýlení nosníku. V současné době se zpravidla využívá kvadrantní detektor, který je rozdělen na čtyři stejné části a umožňuje detekovat pohyb skvrny v dalším kolmém směru — tedy zkrut nosníku. Před měřením je nutno mechanickým zařízením nastavit místo dopadu laseru na špičku nosníku. Toto nastavení se zpravidla děje ručně a nastavení je kontrolováno vizuálně, z toho důvodu může nosník mít v optimálním místě dopadu ze zadní strany zářez. Při nastavování se zářez po dopadu světla silně rozzáří, což pomáhá určit správné nastavení. Konstrukce detektoru obsahuje kromě diody a detektoru ještě nastavovací prvky, kterými se svazek vyvažuje. Např. vystředění polohy svazku vzhledem ke svislým polovinám detektoru se provádí lineárním posuvem detektoru a vzhledem k vodorovným polovinám se k nastavení používá natáčení pomocného zrcátka.

Lepšího výsledku lze dosáhnout s polem n detektorů, alespoň v jednom směru (1D pole), protože duální detektor je vhodný jen pro svazky s gaussovským profilem, popř. svazky s jedním maximem. V případě pole detektorů je svazek čočkou rozšířen a na nezávislé detektory dopadá výkon P_i, zesílení detektoru g_i se mění s ohledem na charakter signálu a výsledkem je vážený součet. Ohne-li se nosník, změní se jednotlivé výkony o ΔP_i (předpokládáme změnu mnohem menší než výkon samotný), celkový signál bude S=∑_i=1ⁿg_iΔP_i (předpokládá se dokonalá odezva a byl odečten ofset ∑g_iP_i). Vhodná volba koeficientů g_i závisí na šumu v obvodě, volí se tak, aby byl odstup signálu od šumu maximální. S tímto detektorem není třeba ani středování svazku. Vhodnou volbou vah g_i lze detektor zapojit jako předchozí duantový.

Citlivost vibračních měření je omezena teplotními fluktuacemi, které generují kmity s amplitudou N=√((4k_BTQB)/(kω)) (B šířka pásma, v němž se měří, k_B Boltzmannova konstanta). Platí Δk=F′, (Δω)/ω=(Δk)/(2k)=(F′)/(2k) a (ΔA)/A=4/(3√3)Q(Δω)/ω, z čehož plyne ΔA=(2QAF′)/(3√3k). Položíme-li ΔA=N, obdržíme minimální měřitelný gradient síly

Provádí-li se měření na konstantní frekvenci ω_m, je amplituda po změně rezonanční frekvence na hodnotu ω₀′ dána vztahem

kde A₀ je amplituda pro ω₀′=ω_m. Největší citlivosti lze dosáhnout v oblasti největší strmosti křivky A(ω₀′), což je přibližně pro ω_m≃ω₀′(1±1/√8Q), pak platí ΔA=(2A₀Q)/(3√3k)F′. Výhodou metody je značná citlivost, použije-li se nosník s vysokým Q. Nevýhodou nosníků s vysokou kvalitou je jejich doba odezvy. Budeme-li uvažovat tlumený systém s vynuceným kmitáním se silou, která se skokem změní, objeví se po změně přechodný člen s exponenciálním útlumem e^-(ω/Q)t, závislým na kvalitě nosníku.

Optickou metodou je i detekce diferenciálním interferometrem. Dva svazky vzájemně kolmé polarizace (referenční a měřící) dopadají na nosník v různé vzdálenosti od místa jeho upnutí. Vzhledem k prohnutí nosníku oba svazky urazí rozdílnou dráhu a to se projeví na interferenci. Výhodou interferenčních metod je minimalizace vlivu narušení optické dráhy a nestability zdroje (oba svazky podstupují tutéž změnu) a menší citlivost na relativní pohyb mezi mechanickou a optickou částí, díky velkému průměru svazku nejsou citlivé na kvalitu povrchu, lze dosáhnout až tepelného limitu a dobré stejnosměrné stability, nevýhodou je nemožnost určení přímo kvantitativní hodnoty amplitudy.