Determination of nanomechanical properties of surfaces by atomic force microscopy using higher harmonics

Esta tesis doctoral titulada "Determinación de las propiedades nanomecánicas de las superficies mediante microscopía de fuerza atómica utilizando armónicos superiores" trata de los problemas relacionados con la determinación de las propiedades mecánicas de los materiales a escala nanométrica. Hoy en día, los desafíos tecnológicos están cada vez más relacionados con dispositivos miniaturizados y existe un gran interés en el desarrollo de métodos precisos y no destructivos para caracterizar la respuesta mecánica del material con precisión nano-métrica. La ciencia de la superficie y la ciencia de los materiales han recibido en general un gran impulso gracias a la introducción de técnicas de caracterización estandár y originales basadas en microscopía con sonda de barrido. Entre ellas, en los últimos años, los métodos dinámicos de AFM basados en el enfoque multi-frequencia y multi-armónicos han despertado un gran interés, incluso si todavía no se tiene una comprensión profunda de la información generada por este tipo de señales. El objetivo de la tesis es dar una idea de esta nueva familia de técnicas de caracterización y presentar nuevas perspectivas con respecto al uso de armónicos superiores en imágenes de AFM estándar. En primer lugar, se presenta una breve descripción de los principales aspectos teóricos de las interacciones sonda-superficie a lo largo de una descripción de los principales modelos de mecánica de contacto relevante, para contextualizar y comprender los efectos que pueden influir en este tipo de estudio y sus resultados experimentales y de simulación . La siguiente parte está dedicada a una perspectiva exhaustiva del estado del arte de los métodos experimentales utilizados para determinar las propiedades mecánicas a escala micro/nano, incluidos los métodos basados en indentaciones y los métodos basados en AFM. Esta visión general tiene el objetivo de dar una idea de lo que ofrece el panorama sobre la caracterizacíon nanomecánica, cuáles son las fortalezas y los límites reales. El núcleo de la tesis consiste en la presentación de los métodos experimentales y los logros con respecto al desarrollo de un nuevo método de caracterización de AFM, basado en la monitorización de la amplitud de armónicos superiores durante la exploración de modulación de amplitud. Ha sido posible estudiar sistemáticamente la influencia de los parámetros de trabajo comunes en la intensidad de los armónicos superiores resonantes, combinando la simulación teórica con los estudios experimentales. Esta parte se aborda especialmente en el artículo: "Dependencia funcional de armónicos resonantes en parámetros nano-mecánicos en el modo dinámico de microscopía de fuerza atómica". En la última parte de la tesis se ha puesto la atención, aprovechando la parte previa, en la determinación de las mejores condiciones para la maximización de la amplitud armónica de 6th y en el desarrollo de un método basado en que podría emplearse para cuantificar la respuesta elástica (es decir, el módulo de Young) de una amplia gama de materiales. El artículo "Cuantificación de las propiedades nanomecánicas de las superficies mediante una monitorización armónica más alta en imágenes de AFM moduladas en amplitud" informa sobre los detalles de este método.This doctoral thesis entitled "Determination of nano-mechanical properties of surfaces by atomic force microscopy using higher harmonics" addresses the problems related to the determination of mechanical properties of materials at the nanoscale. As present, technology challenges are more and more related to miniaturized devices and it exists a strong interest in the development of accurate, non destructive methods to characterize the mechanical response of material with nano-metric accuracy. Surface science and material science in general have received great impulse thanks to the introduction of novels standard characterization techniques based on scanning probe microscopy. Among those, in the last years, dynamic AFM methods based on multi-frequency and multi-harmonics approach have raised a great interest even if there is not yet a deep comprehension of the information brought by this kind of signals. The aim of the thesis is indeed to give an insight to this new family of characterization techniques and present new perspectives regarding the use of higher harmonics in standard AFM imaging. Firstly, a short overview of the main theoretical aspects of probe-surface interactions is presented along a description of the main models of relevant contact mechanics, in order to contextualize and understand the effects that can influence this kind of study and its experimental and simulation results. The following part is dedicated to an exhaustive outlook of the state of the art of experimental methods used to determine mechanical properties at micro/nano scale, including indentation based methods and AFM based methods. This overview has the aim of giving a general idea of what the panorama offers about the nanomechanical characterization, what are the actual strengths and limits. The core of the thesis consists of the presentation of the experimental methods and achievements regarding the development of a novel AFM characterization method, based on the monitoring of higher harmonics amplitude during amplitude modulation scan. It has been possible to study systematically the influence of common working parameters on the intensity of resonant higher harmonics, combining theoretical simulation with experimental studies. This part is especially addressed by the article: "Functional dependence of resonant harmonics on nano-mechanical parameters in dynamic mode atomic force microscopy". In the latter part of the thesis the attention has been placed, taking advantage of the previous part, on the determination of the best conditions for the maximization of the 6th higher harmonic amplitude and on the development of a method based that could be employed in order to quantify the elastic response (i.e. Young’s modulus) of a wide range of materials. The article "Quantification of nanomechanical properties of surfaces by higher harmonic monitoring in amplitude modulated AFM imaging" report the details of this method