Please use this identifier to cite or link to this item:
http://hdl.handle.net/1942/42359
Title: | Development of topography-independent methods for the measurement of long-range forces in atomic force microscopy | Authors: | FUHRMANN, Marc | Advisors: | Thoelen, Ronald Moebius, Hildegard |
Issue Date: | 2024 | Abstract: | The physical properties of materials at the nanoscale differ significantly from those
of their bulk counterparts. For example, a superparamagnetic nanoparticle is
formed when iron oxide (Fe2O3) is reduced to a critical size of about 10 nm, where
only a single magnetic domain exists. These nanoparticles align with magnetic
field gradients and can be precisely manipulated. Additionally, materials like iron
oxide are often biocompatible. In the absence of an external magnetic field, these
particles are magnetically neutral. Nanoparticles exhibit a considerably higher
surface-to-volume ratio, resulting in increased reactivity. These differences in
properties can have substantial implications for various applications. The large
surface area of nanoparticles is well suited for catalytic reactions, for example, as
they typically reduce the energy barrier of reactivity and thus accelerate or initially
enable chemical reactions. Additionally, nanoparticles exhibit altered optical,
electrical, and magnetic properties due to quantum confinement effects, resulting
from the confinement of electrons and photons within the nanoparticle's
dimensions, which leads to changes in energy levels and electronic behavior.
Characterizing nanoparticles is crucial for understanding their behavior and
optimizing their applications. Atomic Force Microscopy (AFM), including
specialized branches such as Magnetic Force Microscopy (MFM) and Electrostatic
Force Microscopy (EFM), is a powerful tool for nanoparticle characterization. In
contrast to techniques like electron microscopy, which provides two-dimensional
projections or images of a sample, AFM offers a three-dimensional surface profile.
This enables the visualization of nanoparticle shape and size with sub-nanometer resolution, allowing for accurate and precise measurements of nanoparticle
height. On the other hand, field-dependent material properties such as
magnetization of individual particles or dielectric properties are performed at a
defined distance to eliminate the influence of short-range forces. To measure
these properties, AFM is used in interleave mode. This mode ensures that the tip
is always at a defined distance from the closest structural point of the sample
being measured.
However, especially in the interleave mode, electrostatic coupling effects limit
nanoparticle measurements, leading to artifacts and, ultimately distorted
assessments. In the interleave mode, changes in the distance between the
scanning tip and the substrate due to structural height differences during
nanoparticle measurements can create artifacts, as chapters 3-6 will show.
Changes in the tip-substrate distance, induced by capacitive coupling
mechanisms, cause these artifacts, resulting in inaccurate analysis, particularly
for magnetic properties of individual or encapsulated superparamagnetic
nanoparticles.
This doctoral research aims to establish an understanding of capacitive coupling
at a mathematical level. Initially, the investigation centered on assessing how the
dielectric properties of polymeric nanoparticles affect field variations resulting
from changes in distance. The outcome revealed that dielectric properties have
minimal significance in interleave mode measurements. It was also determined
how nanoparticle size and the resulting alterations in distance impact capacitive
coupling. The measurements of individual particles were accurately validated
using the developed mathematical model. Based on these findings, a study was
conducted to filter out the present electrostatic coupling from the measurement without interference. This study was initially carried out on pure polymeric
nanoparticles and, after successful implementation, extended to encapsulated
superparamagnetic nanoparticles. Consequently, statements could be made
regarding the distribution and behavior of superparamagnetic magnetite
nanoparticles within the polymeric matrix structure.
In a final study, another measurement method for determining the dielectric
properties of nanoparticles was examined. In contrast to the interleave mode,
which adjusts the tip-substrate space to maintain a constant distance to structural
surface conditions, the linear mode maintains a constant distance to the substrate.
Surface changes are ignored in this method, which can lead to damage to the
scanning tip and the materials under investigation. However, due to the absence
of capacitive coupling, this measurement method is far more sensitive than the
interleave mode. It enables the measurement of material properties that are
suppressed by cross-interferences in conventional methods.
In summary, this dissertation developed solutions for the accurate measurement
of individual nanoparticles regarding their dielectric and magnetic properties.
Although this work addresses a specific field of nanotechnology, many findings
suggest that the presented methodologies can also be applied to similar
measurement techniques disrupted by capacitive coupling. Establishing the linear
mode opens up additional opportunities for performing more sensitive field
measurements on nanoparticles. De fysieke eigenschappen van materialen op nanoschaal verschillen aanzienlijk van die van hun bulktegenhangers. Bijvoorbeeld, een superparamagnetische nanopartikel wordt gevormd wanneer ijzeroxide (Fe2O3) wordt verkleind tot een kritische grootte van ongeveer 10 nm, waar slechts één magnetische domein bestaat. Deze nanopartikels aligneren met magnetische veldgradiënten en kunnen precies gemanipuleerd worden. Bovendien zijn materialen zoals ijzeroxide vaak biocompatibel. In afwezigheid van een extern magnetisch veld zijn deze partikels magnetisch neutraal. Nanopartikels vertonen een aanzienlijk hogere oppervlaktevolume verhouding, wat leidt tot een verhoogde reactiviteit. Deze verschillen in eigenschappen kunnen aanzienlijke implicaties hebben voor diverse toepassingen. Zo is het grote oppervlak van nanopartikels bijvoorbeeld goed geschikt voor katalytische reacties, omdat het meer actieve sites biedt voor chemische reacties. Bovendien vertonen nanopartikels gewijzigde optische, elektrische en magnetische eigenschappen als gevolg van kwantumeffecten, veroorzaakt door het opsluiten van elektronen en fotonen binnen de dimensies van het nanopartikel, wat leidt tot veranderingen in energieniveaus en elektronisch gedrag. Het karakteriseren van nanopartikels is cruciaal voor het begrijpen van hun gedrag en het optimaliseren van hun toepassingen. Atomic Force Microscopy (AFM), met inbegrip van gespecialiseerde takken zoals Magnetic Force Microscopy (MFM) en Electrostatic Force Microscopy (EFM), is een krachtig instrument voor de karakterisering van nanopartikels. In tegenstelling tot technieken zoals elektronenmicroscopie, die tweedimensionale projecties of afbeeldingen van een monster leveren, biedt AFM een driedimensioneel oppervlakteprofiel. Dit maakt de visualisatie van de vorm en grootte van nanopartikels mogelijk met subnanometerresolutie, waardoor nauwkeurige en precieze metingen van de hoogte van nanopartikels mogelijk zijn. Aan de andere kant worden materiaaleigenschappen die afhankelijk zijn van het veld, zoals de magnetisatie van individuele deeltjes of dielektrische eigenschappen, gemeten op een gespecificeerde afstand om de invloed van kortebereikkrachten te elimineren. Echter, vooral in de interleave-modus beperken elektrostatische koppelingeffecten de metingen van nanopartikels, wat leidt tot artefacten en uiteindelijk tot verstoorde evaluaties. In de interleave-modus kunnen veranderingen in de afstand tussen de scankop en het substraat als gevolg van hoogteverschillen in de structuur tijdens metingen van nanopartikels artefacten creëren, zoals uit onderzoek is gebleken. Veranderingen in de afstand tussen de tip en het substraat, veroorzaakt door mechanismen van capacitieve koppeling, leiden tot deze artefacten en resulteren in een onnauwkeurige analyse, met name voor magnetische eigenschappen van individuele of ingekapselde superparamagnetische nanopartikels. Dit doctoraatsonderzoek heeft tot doel een begrip van capacitieve koppeling op een wiskundig niveau te vestigen. In eerste instantie richtte het onderzoek zich op de beoordeling van de invloed van de dielektrische eigenschappen van polymeernanopartikels op veldvariaties als gevolg van veranderingen in afstand. Het resultaat toonde aan dat dielektrische eigenschappen minimaal van belang zijn in interleave-modusmetingen. Er werd ook bepaald hoe de grootte van nanopartikels en de resulterende veranderingen in afstand de capacitieve koppeling beïnvloeden. De metingen van individuele deeltjes werden nauwkeurig gevalideerd met behulp van het ontwikkelde wiskundige model. Op basis van deze bevindingen werd een studie uitgevoerd om de huidige elektrostatische koppeling te filteren uit de meting zonder interferentie. Deze studie werd oorspronkelijk uitgevoerd op zuivere polymeernanopartikels en, na succesvolle implementatie, uitgebreid naar ingekapselde superparamagnetische nanopartikels. Bijgevolg konden uitspraken worden gedaan over de verdeling en het gedrag van superparamagnetische magnetietnanopartikels binnen de structuur van de polymeermatrix. In een laatste studie werd een andere meetmethode onderzocht om de dielektrische eigenschappen van nanopartikels te bepalen. In tegenstelling tot de interleave-modus, die de tip-substraatafstand aanpast om rekening te houden met structurele oppervlaktecondities, handhaaft de lineaire modus een constante afstand. Oppervlakteveranderingen worden in deze methode genegeerd, wat kan leiden tot schade aan de scankop en de onderzochte materialen. Echter, vanwege de afwezigheid van capacitieve koppeling is deze meetmethode veel gevoeliger dan de interleave-modus. Het maakt de meting van materiaaleigenschappen mogelijk die onderdrukt worden door kruisinterferenties in conventionele methoden. Samengevat heeft deze dissertatie oplossingen ontwikkeld voor de nauwkeurige meting van individuele nanopartikels met betrekking tot hun dielektrische en magnetische eigenschappen. Hoewel dit werk een specifiek gebied van nanotechnologie behandelt, suggereren veel bevindingen dat de gepresenteerde methodologieën ook kunnen worden toegepast op vergelijkbare meettechnieken die verstoord worden door capacitieve koppeling. Het invoeren van de lineaire koppeling beïnvloeden. De metingen van individuele deeltjes werden nauwkeurig gevalideerd met behulp van het ontwikkelde wiskundige model. Op basis van deze bevindingen werd een studie uitgevoerd om de huidige elektrostatische koppeling te filteren uit de meting zonder interferentie. Deze studie werd oorspronkelijk uitgevoerd op zuivere polymeernanopartikels en, na succesvolle implementatie, uitgebreid naar ingekapselde superparamagnetische nanopartikels. Bijgevolg konden uitspraken worden gedaan over de verdeling en het gedrag van superparamagnetische magnetietnanopartikels binnen de structuur van de polymeermatrix. In een laatste studie werd een andere meetmethode onderzocht om de dielektrische eigenschappen van nanopartikels te bepalen. In tegenstelling tot de interleave-modus, die de tip-substraatafstand aanpast om rekening te houden met structurele oppervlaktecondities, handhaaft de lineaire modus een constante afstand. Oppervlakteveranderingen worden in deze methode genegeerd, wat kan leiden tot schade aan de scankop en de onderzochte materialen. Echter, vanwege de afwezigheid van capacitieve koppeling is deze meetmethode veel gevoeliger dan de interleave-modus. Het maakt de meting van materiaaleigenschappen mogelijk die onderdrukt worden door kruisinterferenties in conventionele methoden. Samengevat heeft deze dissertatie oplossingen ontwikkeld voor de nauwkeurige meting van individuele nanopartikels met betrekking tot hun dielektrische en magnetische eigenschappen. Hoewel dit werk een specifiek gebied van nanotechnologie behandelt, suggereren veel bevindingen dat de gepresenteerde methodologieën ook kunnen worden toegepast op vergelijkbare meettechnieken die verstoord worden door capacitieve koppeling. Het invoeren van de lineaire. |
Keywords: | atomic force microscope;nanoparticles;dielectric constant;superparamagnetism;magnetic force microscope;electrostatic force microscope | Document URI: | http://hdl.handle.net/1942/42359 | Category: | T1 | Type: | Theses and Dissertations |
Appears in Collections: | Research publications |
Files in This Item:
File | Description | Size | Format | |
---|---|---|---|---|
PhD_Marc Fuhrmann.pdf Until 2029-01-29 | 2.79 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Google ScholarTM
Check
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.