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Universal Theory of Dynamic Force Microscopy for Exact and Robust Force Reconstruction Using Multiharmonic Signal Analysis
Physical Review Letters ( IF 8.385 ) Pub Date : 2021-02-19 , DOI: 10.1103/physrevlett.126.076804
Sunghoon Kim; Joon-Hyuk Ko; Wonho Jhe

Force reconstruction in dynamic force microscopy (DFM) is a nontrivial problem that requires the deconvolution of integrals. However, conventional reconstruction methods, which recover forces from single-frequency motion of the cantilever at its resonance, exhibit non-negligible error and reconstruction instability in the highly nonlinear force regime when the tip oscillates with its amplitude comparable to the decay length of the interaction. Here, we develop a theoretical platform of DFM based on multiharmonic signal analysis for exact and robust reconstruction of conservative and dissipative forces, valid for all oscillation amplitudes and entire tip-sample distances in both amplitude- and frequency-modulation atomic force microscopy. We achieve accuracy improvement by an order of magnitude for oscillation amplitudes comparable to or larger than the decay length, and by 2 orders of magnitude for smaller amplitudes at the force minimum, even in cases where conventional methods show poor accuracy (5%). Moreover, we obtain greater robustness with respect to the oscillation amplitude error, resulting in a fivefold increase in reconstruction precision. Our results demonstrate a fast and versatile reconstruction scheme for nanomechanical force characterization, with higher harmonics measured with sufficient signal-to-noise ratio, which provides unprecedented accuracy and stability beyond conventional methods.

中文翻译:

使用多谐波信号分析进行精确和鲁棒力重构的动态力显微镜通用理论

动态力显微镜(DFM)中的力重建是一个非平凡的问题,需要积分解卷积。然而,当尖端以与相互作用的衰减长度可比的幅度振动时,在高非线性力状态下,从悬臂的单频运动中恢复力的常规重建方法在高非线性力状态下表现出不可忽略的误差和重建不稳定性。 。在这里,我们开发了一种基于多谐波信号分析的DFM理论平台,用于精确,鲁棒地重建保守力和耗散力,对振幅和频率调制原子力显微镜中的所有振荡幅度和整个尖端样本距离均有效。5)。而且,相对于振荡幅度误差,我们获得了更高的鲁棒性,从而使重构精度提高了五倍。我们的结果证明了一种用于纳米机械力表征的快速通用的重建方案,具有足够高的谐波并具有足够的信噪比,从而提供了超越传统方法的前所未有的准确性和稳定性。
更新日期:2021-02-19
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