"走査プローブ顕微鏡SPMを動作させる方法であって、プローブと試料との間のほぼ周期的な相対運動を生成するステップと、前記プローブの運動を検出するステップと、前記プローブおよび試料の相互作用として、前記検出されたプローブの運動から前記プローブと前記試料との間のほぼ瞬時的な力を取り出すステップと、前記取り出されたほぼ瞬時的な力と関連する対象時間区域を決定するステップと、前記プローブと前記試料との間に励起信号を生成するステップと、前記プローブと前記試料との間の前記相互作用の期間内の前記対象時間区域において、前記生成するステップに対する前記プローブの応答を同期的に測定するステップとを含む方法。前記対象時間区域は、接触時間p1~p2である、請求項1に記載の方法。前記対象時間区域は、a接近中p2~p4の近接相互作用区域と、b先端退避中p4~p5の近接相互作用区域とのうちの1つである、請求項1に記載の方法。前記対象時間区域は、ゲートされ、前記励起信号は、一定の電圧と、同期的にゲートされた電圧とを含む群のうちの1つであり、前記検出されたプローブの運動と関連する信号は、前記ゲートされた対象時間区域における電流と抵抗とを含む群のうちの1つである、請求項1に記載の方法。前記対象時間区域は、ゲートされ、前記励起信号は、一定の熱と、同期的にゲートされた熱とのうちの1つであり、前記検出されたプローブの運動に基づく信号は、前記ゲートされた時間区域における前記プローブの温度である、請求項1に記載の方法。前記対象時間区域は、ゲートされ、前記励起信号は、一定のマイクロ波と、同期的にゲートされたマイクロ波とのうちの1つであり、前記検出された運動に基づく信号は、前記ゲートされた時間区域における前記プローブのインピーダンスである、請求項1に記載の方法。前記対象時間区域は、ゲートされ、前記励起信号は、一定の光学的励起と、同期的にゲートされた光学的励起とのうちの1つであり、前記検出されたプローブの運動に基づく信号は、前記ゲートされた時間区域において前記プローブにより生成される光学分光である、請求項1に記載の方法。走査プローブ顕微鏡SPMを動作させる方法であって、プローブと試料との間のほぼ周期的な相対運動を生成するステップと、前記プローブの運動を検出するステップと、前記プローブおよび試料の相互作用として、前記検出されたプローブの運動から前記プローブと前記試料間のほぼ瞬時的な力を取り出すステップと、前記取り出されたほぼ瞬時的な力と関連する対象時間区域を決定するステップと、前記プローブと前記試料との間に励起信号を生成するステップと、前記生成するステップにより定義されるような前記試料の物理的特性と、前記試料の機械的特性との同時測定を提供するように、前記プローブと前記試料との間の相互作用の期間内に前記対象時間区域において前記生成するステップに対する前記プローブの応答を同期的に測定するステップとを含む方法。走査プローブ顕微鏡SPMを動作させる方法であって、プローブと試料との間の相対運動を提供するステップと、PFTモードで前記運動を制御しつつ、前記試料に対してパラシュート降下するプローブを検出するステップとを含む方法。前記検出するステップは、フィードバック誤差信号が、いつ閾値未満になるかを判断するステップを含む、請求項9に記載の方法。前記判断するステップは、前記フィードバック誤差信号の少なくとも1つの周波数における標準偏差とスペクトル振幅とのうちの1つを使用するステップを含む、請求項10に記載の方法。前記検出するステップは、振動周期内の、ピーク力、付着力、ピークトゥピーク力を含む群のうちの少なくとも1つが、いつ閾値未満となるかを判断するステップを含む、請求項9に記載の方法。走査プローブ顕微鏡SPMを動作させる方法であって、プローブと試料との間の相対運動を提供し、フィードバックループを使用して前記運動を制御するステップと、前記フィードバックループにより生成される信号における高周波雑音を検出するステップと、前記雑音を雑音耐性マージンと比較するステップと、前記比較するステップに基づき、利得制御信号を自動的に決定するステップとを含む方法。前記制御するステップは、PFTモードを使用して行われる、請求項13に記載の方法。走査プローブ顕微鏡SPMを動作させる方法であって、前記SPMをPFTモードで動作させるステップと、プローブと試料との間の相対運動を提供するアクチュエータと関連するZリミットパラメータを制御するステップとを含み、前記制御するステップは前記動作させるステップ中に自動的に行われる、方法。好適な実施形態は、熟練した経験豊かなユーザの必要性を最小限にする制御方式の設計において、ピークフォースタッピングPFTモード商標PFTモードとPeakForceタッピングモードはVeecoInstrumentsInc.、プレーンビュ、ニューヨーク州の商標であるとして知られたAFM動作の新しいモードを活用する。PFTモードは基本的に、撮像中にユーザが利得を調整する必要性を無くす。さらに、PFTモードは、設定点、Zリミット、走査速度などの動作パラメータを自動的に制御する能力を提供することによりAFMのさらなる使いやすさを可能にする。この場合、特に、試料の物理的特性測定は、様々なプローブ/試料励起技術電気的、電磁気的、光学的等の励起を使用することにより広範囲の試料にわたって行うことができる。基本的に、好適な実施形態は、専門的ユーザの必要性を制限するAFMに向けられ、先端を試料表面にほぼ垂直に動かして先端を試料と相互作用させ次に試料から離れるように動作するPFTモードを採用することにより実現される。フィードバック回路は、任意の相互作用点における瞬間的相互作用力例えば、試料表面にほぼ直交するを利用する好ましくは最大斥力を利用する。この新しい動作モードは、先端-試料相互作用時のプローブの瞬間的応答を利用し従来技術のようにリングダウンを待つ必要性は無く、本技術は基準線すなわち零力基準を決定し、先端を表面に強制的にほぼ瞬間的に戻す、定常状態相互作用を維持するとともに試料上の先端の追跡を制御するためにフィードバックループを利用する。先端を試料表面に垂直に動かすことにより、このモードはTappingModeAFMの利点を共有して、XY平面内のラスタ走査または他の相対的プローブ試料運動中の摩擦力を少なくとも実質的に無くす。加えて、このモードの実施は、PFMとTappingModeAFMよりはるかに敏感な力制御少なくとも3桁大きいを実現できるように寄生結合を最小限にする。そうする際、AFM技術において公知の最低フォース撮像交番力alternatingforceを利用するが実現され直接制御され、これによりAFMが、典型的なTappingModeAFM速度TappingMode帯域幅は1kHz未満であるを越える速度でTappingModeAFMを越える改善された高解像度画像を提供できるようにする。PFTモードの付加的利点は、上下移動の各サイクルが各画素において力曲線または多くの力曲線を生成し、これにより高さと機械的特性データの同時捕捉とマッピングを可能にするということである。そのため、この方法は、あらゆる個々の力曲線を生成し解析し、次にタッピングモード撮像速度より高い撮像速度で、先端が試料を叩く各インスタンス中に対応ピーク相互作用力に基づき測定しAFMを制御するので、ピークフォースタッピングPFTモードと呼ばれる。本発明の第1の態様によると、SPMを操作する方法はプローブと試料との相対運動を生成するステップとプローブの運動を検出するステップを含む。本方法は、検出されたプローブ運動から、寄生的プローブ偏向すなわち寄生的カンチレバー運動とは実質的に無関係なプローブ-試料相互作用を取り出す。本発明の別の態様では、SPMを操作する方法は、試料に対して先端のほぼ垂直なサイクル運動の各サイクル中に約10pN以下の最大反発プローブ-試料相互作用力を維持する一方で画像を生成するステップを含む。このような相互作用力は、直接制御し正確に校正することができる。本発明の別の態様によると、SPMを操作する方法は、大気、気体、流体、真空を含む環境にかかわらず5ナノメートルより良好な画像解像度を維持する一方で、ユーザの介入無しに、5nN未満のピーク力でもって少なくとも1時間の間画像を生成するステップを含む。本発明の別の態様では、SPMを操作する方法は撮像画素毎の少なくとも1つの力-距離曲線を生成するステップを含む。力-距離曲線は、ファンデルワールス付着、弾性、先端-試料インターフェースの付着仕事量、硬度と粘弾性などの可塑性、の内の1つまたは複数の正確な測定値を生成するために使用することができる。本発明の別の態様によると、SPMを操作するピークフォースタッピング方法は約0.01N/m~1000N/m約10kPa~100GPaの範囲にわたって機械的特性をマッピングする能力を可能にすることができるに等しいばね定数を有するカンチレバーを使用するステップを含む。適用可能なカンチレバーのこの範囲は、接触モードAFM0.01~1N/mとタッピングモードAFM1N/m~40N/mに通常適用可能なカンチレバーのものより数桁広い。本発明に従って構成されたSPMは、パターン済みウェハ、大気と流体中の生体試料、ポリマー、薄膜、データ記憶装置部品を含み様々な試料を走査するために使用できるであろう。本発明の別の態様によると、SPMを操作する方法はプローブの先端と試料とを相互作用させ、次に相互作用を終了してプローブ振動を減衰させるステップを含む。その後、本方法は、減衰するプローブ振動のリングダウンがほぼ完了する前に相互作用を繰り返し、プローブの運動を検出する。本発明の別の態様では、走査プローブ顕微鏡SPMを操作する方法はプローブと試料との相対運動を生成するステップと次にプローブの運動を検知するステップとを含む。加えて、本方法は、検出されたプローブ運動から、先端と試料間のほぼ瞬時的な力を取り出すステップを含む。好ましくは、本方法はまた、フィードバック設定点を維持するように上記生成ステップを自動的に制御する。本発明の別の態様では、制御ループは所定の同期距離で相互作用力を制御する。同期距離は、変調期間の開始からフィードバックを制御するために選択された点に対応する時間までの時間として定義される。この時点で発生する瞬間的力はフィードバック制御パラメータとして使用され、ピーク斥力が発生する点として通常選択される。再び、タッピングモードは、a間接力制御と、b多くの高調波モードのカンチレバー共振動力学と、により複雑になる。別の主要な欠点は、データ収集中のプローブ振動の振幅も位相も、先端-試料相互作用力との単調な関係を有しないということである。これらの複雑性の結果として、所望の画像を捕捉するためのフィードバック最適化処理において主観的判断を採用しなければならなく、これはしばしば、ユーザが最小限の相互作用力と最も安定した最も頑強なフィードバックにより高品質像を実現するためにAFM専門家でなければならないことを意味する。好適な実施形態PFTモードの同期ピーク力制御は、カンチレバー共振とその高調波により誘発される複雑性だけでなくカンチレバー動力学による複雑性を無くす。また、最初に、PFTモードはフィードバック制御パラメータとして相互作用力を直接利用する。接触モードAFMにおいても、熱的または他のシステム要因によるカンチレバー偏向の一定のドリフトが正確な力制御を不可能にする。ピークフォースタッピングモードでは、システムは、プローブを各相互作用期間中に試料から遠くに離すことにより相互作用の無い基準線を再設定する。この過程は、プローブが試料と相互作用する毎に相互作用力の正確な判定を可能にする。直接力制御と、カンチレバー動力学による複雑性の削除と、を通じて、最高品質の像を実現するのに必要な基準が単調になった。その結果、適切なコンピュータプログラムを設計することにより制御ループの自動化を実施することができる。フィードバック性能を最適化するための、例えば同様な試料を撮像した過去の経験に基づく専門的ユーザの主観的判断もまた排除される。本発明のさらに別の態様では、自動制御ステップはシステムの雑音バックグラウンドに基づき制御に必要な最小相互作用力を自動的に決定するステップを含む。制御フィードバックループ内の設定点として使用することができるのはこの最小相互作用力である。本発明のさらに別の態様では、自動制御ステップは、専門家の可視判断より約100倍高速な5先端-試料相互作用期間例えば2.5ミリ秒未満内にフィードバック不安定性を判断するステップを含む。本発明のさらに別の態様では、自動制御ステップは対応するフィードバックループの利得を自動的に制御するステップを含む。本発明の別の態様では、本方法は自動Zリミット制御と好ましくは自動走査速度制御とを含む。本発明のこれらおよび他の特徴と利点は、以下の詳細な説明と添付図面から当業者に明らかになる。但し、詳細な説明と特別な例は本発明の好適な実施形態を示すが、例示としてであって限定するものではないものとして与えられるということを理解すべきである。本発明の範囲内でかつその精神から逸脱することなく多くの変更と修正がなされ得、本発明はこのような修正をすべて含む。本発明の好ましい例示的実施形態は、同様な参照符号が全体を通し同様な部品を表す添付図面に示される。好適な実施形態は、極低フォースでしかも走査速度を損なうことなく先端-試料離隔距離を制御するためにプローブ先端と試料間の相互作用力が監視され利用されるAFM動作のピークフォースタッピングPFTモードに向けられる。本明細書に記載の技術は、プローブ先端-試料力を低く維持することにより高解像度を提供し、試料表面の基本的に実時間の特性マッピングを実現する。好適な実施形態は本質的に安定であり、したがって高い完全性データ改善された分解能を捕捉する能力を維持する一方で長期的な力制御を容易にする。さらに、従来のTappingMode商標AFMとは異なり調整が必要無いので、AFM設定は他のAFMモードによるよりも速くかつより簡単である。PFTモードを駆動する重要な概念がグラフィック的に示され、本明細書で論述される。実際には、瞬間的相互作用力を利用するAFM制御を実施することができる前に解決すべき3つの主要な課題があった。これらの課題は、1結合による偏向バックグラウンドの適応化、2基準線の決定、および3本明細書で定義される瞬間的力の決定であった。図2Aでは、プローブを試料に近付けそれから離す例えば、プローブ-試料離隔距離を周期的に変調する駆動装置を使用して変調のサイクルが期間Tにより表される。零位置水平軸は表面を表し、垂直軸は離隔距離である。プローブ-試料離隔距離が水平基準線を横切ると、先端は領域δΤ先端-試料接触のウィンドウにより表されるように試料と直接接触する。この領域に対応する相互作用力が図2Bにプロットされる。図2Aおよび図2Bにおいて、Amaxは試料からの先端頂点の最大距離間隔、Fa_vdwはファンデルワールス付着力、Fa_maxは、先端と試料表面間の毛細管相互作用と付着仕事量による最大付着力である。斥力と付着力の両方は、図2Bに示すように基準線に対し計算される。本明細書で参照する力は、通常はピラミッド状である先端全体に働く力の合計であるということに注意すべきである。実際には、最頂点部は、力の合計が引力状態である間反発区域に入る可能性がある。この場合、フィードバックは依然として、たとえこの時点の力の合計が引力であっても、フィードバックのために所定の同期位置以下に検討されるように定義されたにおける頂点反発相互作用力を利用することができる。これは、最頂点の原子と試料の原子または分子との間のパウリおよびイオン斥力から生じる頂点反発相互作用により制御が決定されるので、最も高い撮像分解能でもって最小相互作用力により動作するという利点を提供する。カンチレバー偏向と先端-試料相互作用力とを区別することが重要である。先端-試料相互作用力を測定するためにカンチレバー偏向が利用されるが、すべての偏向が先端-試料相互作用力を表すとは限らない、すなわち、寄生力がカンチレバー偏向に寄与する。例えば、図2Cに示すように、カンチレバー偏向は時間の関数としてプロットされ、同図は実際の偏向データを表す。点D後の振動は、時間と共に減衰するカンチレバー自由共振による。この共振偏向は先端-表面相互作用により引き起こされなく、寄生的偏向寄与通常、寄生的カンチレバーまたはプローブ運動に対応するであると考えられる。点Eは、先端が試料と相互作用していない偏向の極大点を表す。データの平らな部分はまた、先端が試料と相互作用していないときに、通常は寄生力の機械的結合により引き起こされる偏向のより遅い変動を有する可能性がある。このような結合は、変調アクチュエータ自体による、および/または空気または流体からの制動力によるカンチレバー応答による可能性がある。これはまたレーザ干渉から生じる可能性がある。これらの寄生的影響はさらに、これに続く図に示される。公知の力制御システムでは、制御は期間内に発生する最大力に基づく。したがって、斥力は、寄生力と区別されるとともに時系列的にフィードバックループにより使用される真の先端-試料相互作用の偏向に対する寄生的寄与のいかなるものより高くなければならない。この力区別要件は、先端および/または試料を損傷する可能性があるであろう比較的高い撮像力を必要とし、これによりシステムが高解像度を実現するのを妨げていた。好適な実施形態では、RMSまたは一定の偏向は図3に従って決定される瞬間的相互作用力Fr_jで置換され、制御装置設定点は次式で表される。δFr=Fr_j-Fbaseiine式1Fbaseiineは、プローブが試料と接触していないときの相互作用力である。これは零でなければならない。AFMでは、力は通常、カンチレバー偏向により表される。この場合、Fbaseiineは先端が表面と相互作用していないときのカンチレバー偏向に対応する。Fr_jは、先端が表面と密着接触状態における相互作用力である。領域δΤ図2A-2Bが斥力とその最大Fr_maxとに一致するように、各駆動期間の開始時刻をそろえるために同期アルゴリズムが使用される。期間の開始からFr_maxの発生までの時間は、高精度に決定および制御できる同期時間である以下にさらに説明される。同期時間距離同期距離:SyncDistanceは、偏向応答と変調駆動信号間の位相遅れを測定することにより決定することができる。同期距離が決定されるとプローブがxy方向で静止していると、同じ同期距離がすべてのxyラスタ走査位置全体にわたって使用される。撮像中、フィードバックは、Fr_iの値が同期距離により決定される間Fr_jをほぼ一定に維持するように動作する。同期距離はまた、変調期間の開始から相互作用の瞬間までの距離として一般化することができるということに留意されたい。同期する距離すなわち同期距離は精密に制御することができる。例えば、先端振動周期Tが100μsならば、同期する距離が48μsであると、48番目のμsで発生する相互作用力がフィードバック制御パラメータとして使用されることになる。フィードバックループは、期間の開始から48番目のμsにおいて瞬間的相互作用力Fr_ji=48μsを維持しようとする。より一般的な応用では、相互作用領域δΤ内の相互作用力の任意の点をフィードバックに使用することができる。δΤはまた、Fa_vdwの領域ファンデルワールス引力領域とFa_maxの領域毛細管付着領域とを含むように図2Bの印の付いた領域を越えて拡大することができる。毛細管付着領域はまた、官能化プローブにより誘発される結合力と試料上の特定の結合とによる付着相互作用になる可能性がある。基準線の正確な測定を実現するために、先端が試料と相互作用していないときの多くの偏向データ点が収集され、平均基準線レベルを生成するために使用される。再び、非相互作用領域最大離隔距離/最も高い距離は、この領域がピーク力位置後の変調期間の約半サイクルでなければならないので、同期距離により決定することができる。同期距離はまた、フィードバック力動作点を決定し、実際の力はδFrにより測定され、δFrは負または正のいずれかである可能性がある。偏向信号に対する例えば、熱的ドリフトの悪影響により、対応する力Fr_jは時間とともに変化し得る。相対的力δFr基準線決定に対するは先端-表面相互作用のより正確な反映であるので、これがFr_jの代わりにフィードバック制御に使用されることが好ましい。この相対値は、カンチレバー偏向に対するシステムドリフトによる悪影響を取り除く。δFrはまた、フィードバックループによる制御可能な力を表すので、δFrは、先端が試料全体にわたって走査する期間中様々な位置において一定のままである。図4A~4Cでは、試料表面と相互作用する際のカンチレバー応答は、先端-表面相互作用力とバックグラウンド結合との混合である。このような応答がオリジナルとして図4Aに概略的に提示されている。実際の先端-試料相互作用力は、Fr_j部分図4Cに示されるにおいてだけ存在するが、寄生的カンチレバーまたはプローブ運動のバックグラウンド内に埋もれている。オリジナルデータ例えば相互作用力と寄生力の両方によるものを含むプローブ運動からバックグラウンドを減じることにより、相互作用力の大きさを得ることができる。図4Bのように示されたバックグラウンドは、AFMシステムからの共振の機械的結合、および/または空気と流体などのその環境媒体に対するカンチレバー応答により引き起される可能性がある。バックグラウンドはまた、カンチレバーが試料に対して移動するとレーザ干渉により誘発される可能性がある。バックグラウンドの一般的な特徴は、先端が試料と相互作用していないときでも、周期的変化を表すカンチレバー偏向が先端軌跡と同様であるということである。成功したバックグラウンド実験データの減算を図5A~5Cに示す。より具体的には、図5Aは、元のプローブ偏向対時間の概略図を示す。既に述べたように、プローブの偏向は、先端-試料相互作用を制御するために使用され得る寄生源により大きく影響を受ける。示されるように、本明細書では例えば流体力学的バックグラウンドまたはより一般的な用語では寄生力と呼ぶこれらの周期的寄生的偏向は、低周波信号により表される。これらの寄生力流体力学的力、流体抵抗と空気、オフ軸運動、レーザ干渉、プローブが試料と相互作用していないときに発生する任意の他の周期的運動を含むによるプローブ偏向への寄与は大きい。好適な実施形態において制御信号として使用されるべき実際の先端-試料相互作用力は寄生的バックグラウンド信号図5B上に重畳されるので、実際の先端-試料相互作用力を検出することは挑戦となる可能性がある。別の言い方をすれば、最小制御可能フォースは、プローブ偏向へのバックグラウンド寄与約1000マイクロニュートン未満~10ピコニュートン未満の範囲の最小制御可能ForceOLDとして図5Aに示すにより決定される。特に、いつものことであるが、偏向への寄生力寄与と先端-試料相互作用力による偏向への寄与との両方に比べて低い振幅を有する雑音信号Nが存在する。図5Bと図5Cとを参照をすると、本発明の好適な実施形態に対する1つの重要な概念は、既に述べたように、偏向信号からの寄生的バックグラウンド信号図5Bの減算であり、これにより最小制御可能フォースを低くする。バックグラウンド信号は、プローブが試料と相互作用しないすなわち寄生力だけが、検出されたプローブの偏向に寄与するように、先端-試料離隔距離を制御距離まで十分に増加させることにより決定される。制御距離は通常、100nmこれより短い可能性があるがを越え、理想的には長距離相互作用力がプローブ偏向に寄与しない距離である。図5Cに示すように、寄生的バックグラウンドを減じた後の偏向への先端-試料相互作用力寄与は、先端-試料相互作用に関連する明確なピークを有する偏向信号を描写する。特に、非周期的雑音は常に存在し、この場合、図5Cに示すような最小制御可能フォース最小制御可能ForceNEWを決定することになる。0.01N/mのばね定数と100μmのカンチレバー長を有する非常に柔らかいカンチレバーに関しては、この力は約1pNである可能性がある。寄生的バックグラウンドの減算を行う際に採用可能な最小制御可能フォースは著しく例えば3桁の大きさ分小さくされ、プローブ-試料相互作用力がpN範囲まで低減されるように好適な実施形態が先端-試料離隔距離を制御できるようにするということが明らかになる。この減算がハードウェアで実現され得るやり方については図10に関して以下にさらに説明される。全体として、それは主には、このような低フォースを検出してこのような力をSPMフィードバックループにおける制御パラメータとして利用する能力であって、本発明に従って動作するSPMが本明細書では瞬間的力制御と呼ばれるものを利用して試料を撮像できるようにする能力である。実時間力検出を利用する瞬間的力制御は、改善された制御を提示し、したがって画像解像度を改良し、試料損傷の機会を最小限にする。この文脈では、実時間または瞬間的力検出は、基本的に、例えば図3に示された変化する力の各点が好適な実施形態により検出され、SPM動作を瞬間的に制御するために使用されることができる、ということを示唆する。換言すれば、プローブと試料間の相互作用の各サイクル中[または両者間の離隔距離の変調すなわち、力曲線変調の各サイクル中]のプローブ-試料相互作用によるプローブに作用する変化する力が検出され、実時間で試料を撮像するためにAFMにより利用され得る。この瞬間的力制御は、プローブ-試料離隔距離の変調の1サイクルであろう期間内の任意の相互作用点においてAFM制御を与えるために利用される。制御はいかなるサイクルの変調の完了にも先立って次の接近に先立って与えられるので、フィードバック遅延は著しく低減される。これについては図12A、12B、12Cに関連してさらに示される。ピークフォースタッピング制御におけるさらに別の利点は、カンチレバー共振周波数の近傍でピークフォースタッピング制御を動作させる必要が無いことである。このような動作は、過渡的共振応答によるカンチレバー遅延をほぼ無くすことができ、瞬間相互作用制御を可能にする。次に図6を参照すると、好適な実施形態はまた、AFMが、零力点を素早く抽出するために力曲線の基準線平均化を行うことにより高速度で動作できるようにし、システムが、プローブを少ない時間遅延で試料と相互作用させるようにすることができる。図2Cにより表された従来技術とは対照的に、AFMの変調周波数は、システムが撮像システムを安定させるためにプローブリングダウンが完了する先端が試料表面から飛び離れた後、プローブ振動が約1/eまで減衰するまで待ってプローブ-試料相互作用を再設定するという必要要件により制限されない。リングダウンに必要な時間は、Q/fに比例するカンチレバー動力学により決定される。ここでQはカンチレバーの品質係数であり、fはカンチレバー共振周波数である。従来から使用されるカンチレバーが安定するには通常数十ミリ秒かかる。好適な実施形態では、図6に示すように、リングダウンすると、カンチレバー共振周波数の数サイクルは、零力点すなわち休止時基準線位置をほぼ実時間で決定するために平均化され、システムが、図2Cに示されたシステムよりはるかに早くプローブを試料と相互作用させるようにできるようにする。実際、リングダウン後のカンチレバー共振周波数の1サイクルでも平均化することにより、零点基準線の頑強な推定を実現することができる。その結果、変調周波数を、システム安定性を妥協することなく著しく増加することができる。さらに、当然、より速く動作するという付加的利点がシステム内の雑音の影響を低減する。非常に敏感な力検出を伴う測定については、非常に柔らかいカンチレバーばね定数0.01N/m~0.3N/mが通常使用される。これらのカンチレバーはより低い共振周波数と非常に長いリングダウン時間を有する。より重要なことには、付着誘発振動接触からの急な抜け出しsnapoutofcontactは図6Cに示すようにはるかに強い。図6Cでは、柔らかいカンチレバーの偏向応答が時間の関数としてプロットされる。先端軌跡も位置基準としてプロットされる図6B。図から分かるように、カンチレバーの寄生振動は相互作用力をはるかに上回り、制御を基本的に不可能にする。本発明の以前は、ユーザは、安定した制御を有するために、Fr_jがフィードバックの唯一の最大値になるように振動が消えるのに十分長く待たなければならなかったであろう。カンチレバーがより敏感になるので、リングダウンを待つことで禁止的な時間がかかるようになる。本発明の好適な実施形態は、プローブと試料間の最近接位置への同期的位置合わせにより相互作用区域と非相互作用区域を分離することにより基準線を決定する。相互作用区域に対応する領域は、同期マーカー各サイクルの始めの基準トリガ信号を介しロックされる。この領域内のいかなる偏向点も定常状態相互作用制御のフィードバックパラメータとして使用することができる。相互作用区域外のすべての偏向データは一定値に平均化され、図3におけるδFrを計算するための基準線として使用される。基準線検出と同期制御の組み合わせにより、相対的力δFrを瞬間的に正確に決定し制御することができる。このような制御により、図6Cに示すようにFr_iを寄生偏向よりずっと下にすることができる。定常状態は再び、一定の最大力または一定の最小力、またはプローブ/試料相対運動の各サイクル内の相互作用力カーブ形状の特徴の組み合わせを意味する。本技術の別の主要な利点は高振幅振動データにより基準線を決定する能力である。カンチレバーの共振周波数は知られているので、別の実施形態では、平均値は、カンチレバー共振周波数のサイクルの整数倍を解析することにより非相互作用区域内において決定することができる。整数サイクル平均化は振動偏向データを効果的に取り除くことができ、一定な基準線を生成する。特に、カンチレバー共振周波数はまた、周波数掃引と熱的調整などの公知の技術により判断することができる。次に図7と図8Aと8Bを参照すると、好適な実施形態はまた、本明細書ではゲートされた平均斥力制御gatedaveragerepulsiveforcecontrolと呼ぶものを採用する。図7に、AFM動作時の一系列の相互作用期間を含むプローブ偏向を概略的に示す。制御パラメータとして力を利用する従来の制御技術は、先端-試料相互作用の全サイクルにわたって力の合計を平均化し、力設定点との比較のためのRMS値を生成する。当該技術において理解されるように、力曲線により示される力は複雑である。斥力と引力の両方は上述のように1サイクル中にプローブ先端に働く。例えば、斥力を打ち消す傾向がある引力部分図2CのC~Dを含むことにより、力感度と撮像解像度はほとんどの場合低下する。図8Aと図8Bを参照すると、ゲートされた平均斥力制御が示される。この実施形態では、図8Bに示すようなシステム同期信号が、力曲線の引力部分を除くことにより、力曲線偏向曲線の影を付けた部分Aにより示されるの斥力部分図2CのB~Cをゲートするために使用される。力曲線の斥力部分に基づき先端-試料離隔距離を制御することにより、力感度と撮像解像度は曲線の引力部分の悪影響を低減することに起因して増加されるすなわち、引力相互作用力は、長距離相互作用力したがってより大きな領域にわたる感知相互作用であり、より低い解像度をもたらす。さらに、ゲートはゲートされた平均化を行う際の雑音を除くように動作する。また、同期信号は、斥力領域だけが利用されるように時間調節される。このような動作は、図3に関連して示され説明されたように所定の同期位置においてゲートを使用することにより保証される。上記議論をさらに進めると、図9Aと9Bに示すように、同期平均化はまた、信号対雑音比をさらに改良ししたがってほぼ零力点における制御を最終的に提供するために採用することができる。他の先端-試料偏向例示と同様な図9Aは、先端が試料と相互作用するときのプローブの偏向の数サイクルを示す。既に述べたように、雑音信号はこれらのタイプのSPM/AFM測定を行う際に常に存在する。偏向信号と図9Bに示されるものなどの対応する同期信号とを組み合わせることにより、偏向の同期平均化は行われる。その結果、雑音の影響は次式に従って著しく低減される。ここでDjは第i番目のサイクルのデータを表す。√Nの係数だけ改良された信号対雑音比を有し、これにより最小制御可能フォースを低減した狭いロックイン帯域幅を利用することができる平均信号を、図9Cに示す。次に図10を参照すると、PFTモードで動作可能なAFM100は、プローブホルダ108に搭載されるとともに先端106を支持するカンチレバー104を有するプローブ102を含む。この場合、先端-試料離隔距離は、これによりプローブホルダ108に結合されたアクチュエータ112例えばXYZ圧電チューブにより変調される。しかし、好適な実施形態は試料をZ軸方向に動かすことにより先端-試料離隔距離を変調するようなAFM計測器に適用可能であるということを理解すべきである。動作中、プローブ偏向は、光ビームLをプローブの裏側から四象限光検出器などの検出器114に向かって反射させることにより測定される。次に、偏向信号はアナログ-デジタル変換器103に送信される。AFMを高速度で動作させる一方で低い先端-試料力を維持するためにデジタル化信号が使用される。図10に示す実施形態では、先端-試料相互作用の無いプローブ偏向はバックグラウンド生成器105に送信される。バックグラウンド生成器は、先端と試料が相互作用していないときにバックグラウンド信号に対応する周期的波形を生成することになる。この波形は、その振幅と位相がロックイン増幅器により決定され、その入力がバックグラウンド信号であるDDS直接デジタル合成DirectDigitalSynthesis機能生成器により生成することができる。この波形はまた、同期信号の助けを借りて多くのサイクルのバックグラウンドを同期的に平均化することにより生成することができる。比較器回路120は、寄生的バックグラウンド図4Cと図5Cと無関係の先端-試料相互作用力を表す信号を生成するようにバックグラウンド信号を減じることにより全偏向信号を処理する。なお、アナログまたはデジタル回路について説明し得るが、本動作は任意の従来のアナログまたはデジタル回路において行われ得るということが理解される。但し、好適な実施形態は本発明を実施するためにFPGAアーキテクチャを利用する。この信号は次に、カンチレバーの処理されたリングダウン振動を所定数のサイクルに制限するために、減算後偏向誤差を処理するデジタルフィルタ122に通される。フィルタ処理済み信号は、信号対雑音比をさらに向上するために同期平均化回路123に送信される。同期の助けを借りて非相互作用領域内のデータを平均化することにより、基準線は基準線平均化回路124により決定される。比較器回路125は、カンチレバーDCドリフトの無い先端-試料相互作用力を表す信号を生成するように基準線信号を減じることにより全偏向信号を処理する。この信号はさらに力検出器126に送信される。同期距離計算機135は、偏向と、時間遅延の形式で駆動および同期制御を提供するZ変調DDSブロック127と、の間の位相ずれを判断する。ピーク力または斥力ゲート位置生成器129は、同期マーカと同期時間距離の助けを借りて力検出器126のタイミング信号を生成する。力検出器126は、反発ピーク力または図8Aに示されたゲートされた領域内の平均斥力のいずれかを特定することにより加算回路125の出力を解析する。また、力検出器126をこのように動作させることにより、力曲線の選択された部分例えば斥力領域に力制御をトリガでき、試料と先端間の引力の影響を低減することにより高感度を実現する。さらに、信号対雑音比は検出器126のゲートから雑音を除くことにより改良される。ゲートされた斥力は次に、適切な設定点と比較されブロック128、誤差信号が生成され、制御ブロック例えばPI制御装置130に送信される。次に、制御信号はアナログに変換され変換器132、同期信号が変換器136によりアナログに変換された後にブロック127からの同期信号と組み合わせるために加算回路134に送信される。次に、加算回路134の出力は、先端と試料間のほぼ安定状態の相互作用を維持するようにz位置この場合は、プローブを駆動するためのZピエゾ112に印加される。対応する動作方法については、図13に関連して以下にさらに詳細に説明される。図11を参照すると、PFTモードに従ってAFMを動作させる方法300が示される。設定および初期化ブロック302調整は必要無い後、プローブは振動状態に駆動され、試料に係合エンゲージされる。好ましくは、ブロック304では、プローブと試料間の相対的XY運動走査が開始される。次に、プローブの運動が検出される。具体的には、プローブ偏向が検出され、さらなる処理のために変換器に送信される。ブロック306では、本方法は次に、ロックイン増幅またはより好適には偏向の同期平均いずれかを利用することにより好ましくは流体力学的バックグラウンド減算を行って、上述のようにプローブ-試料相互作用を取り出すように動作する。ブロック308において出力をフィルタ処理した例えば処理すべき特定サイクル数のリングダウンを選択した後、本方法は、ブロック310において、好ましくは力曲線の反発領域を利用して力を検出ピーク力検出/ゲートされた平均化する。ブロック312では、次に、力は、ユーザの所望の相互作用力に従って設定された設定点力と比較される。ブロック316において、Zアクチュエータは先端-試料離隔距離を調節し設定点力を維持するように制御信号に応答する。ここでは、制御信号は試料の像を生成するために使用される。図12A~図12Cを参照すると、瞬間的力フィードバックを提供する好適な実施形態の能力の図解が示される。図12Aでは、いくつかの概略の力対時間曲線が異なるピーク斥力と共に示される。特に、相互作用QとSは設定点により定義された閾値力を越え、一方相互作用Rは設定点未満のピーク斥力を示す。フィードバック誤差が、従来技術の力フィードバックシステムの図12Bに示すように図示される。より詳細には、斥力が設定点を越えると、最初の相互作用に対しXにおいてピーク斥力をマッピングする前に遅延dが示される。これは、斥力が設定点を越え始めた点後しばらくしてフィードバック誤差が設定されないSと標記された相互作用に関し同様である。それと反対に、図12Cに示すように、好ましくは同期平均化と組み合わせて、寄生バックグラウンド減算、基準線平均化とゲートされた平均、斥力制御を含む上に論述されたPFTモードの特徴に起因するより少ないフィードバック遅延を所与として、設定点より大きな任意の力に対する応答はほぼ瞬間的に検出される。設定点より上の力を素早く特定することができることにより、先端-試料相互作用に対応する力を最小限にすることができ、これにより、高速度および高解像度でのAFM動作という意味で著しい利点を提供する。これは、試料表面変化が応答時間および/または解像度を制限する可能性がある粗い試料に特に当てはまる。アルゴリズムバックグラウンドの正確な減算を保証するために、図13と図14に示すような2つの方式が開発された。図13には、カンチレバー偏向バックグラウンド偏向に対する寄生的寄与の減算のアルゴリズム400が示される。ブロック402と404は、設定時のユーザ選択に従って、表面上に反発インパルス相互作用が存在しないように先端が試料から十分に遠くにある例えば30nmことを保証する。ブロック406はいくつかの下位ステップを含む。AFMシステムは、複数のサイクルの間カンチレバー偏向データをサンプリングし、それぞれが期間Tを有する複数セグメントにデータをデジタル化する。AFM方法は、データの各セグメントを期間Tの開始に合わせ、次に、データを平均化する。次に、方法400は期間T中のバックグラウンドとして平均セグメントデータを使用する。ブロック408は、例えばFPGAプロセッサを使用することにより、各期間Tの測定データから、ブロック406から得られたバックグラウンドを減じるように動作する。ブロック408はフィードバックのためにバックグラウンド補正データを使用する。図14には、バックグラウンド偏向を減じるための別のアルゴリズム500が示される。持ち上げ高さを計算するブロック502と先端をzフィードバックオフで持ち上げるブロック504は、先端が試料と相互作用しないことを保証するために使用される。ブロック506は、カンチレバープローブを動かす駆動信号を基準として、カンチレバー偏向データをロックイン入力として、ロックイン増幅器を使用する。ブロック508では、ロックインから得られた振幅と位相データが正弦波信号を構築するために使用され、この信号は調節され、偏向が一定雑音限界内になるまで、偏向データを減じるために使用される。実時間減算はブロック510において行われる。十分な減算が達成される先端が表面と相互作用していないときの一定の偏向を利用して判断されると、AFMはブロック512においてバックグラウンド補正データをフィードバックのために使用することができる。図13と図14に従って計算されたバックグラウンドは、プローブが試料表面に近づくにつれ大きく変化する。このような変動は試料表面距離に対するプローブの関数として流体力学的力により引き起こされる。このような変動はまた、プローブが試料と実際に相互作用する前の試料に対するプローブの密接度の指標として役立つ可能性がある。この知識により、電動式係合motorizedengagingは、予め定義されたバックグラウンド値に達するまで高速で進行することができ、次に、遅い係合ステップを行うことができる。バックグラウンド減算はまた、図15と図16に示すように、プローブと試料表面との係合中に実行されることが好ましい。2つの係合方法間の差異は、試料表面を検出するためにプローブを試料に向かって駆動するためだけに、図15の通常の係合600がステップモータを使用するというである。但し、図16は、本方法700が試料表面を探索する時に各モータステップにおいてZピエゾによりプローブを動かすソーイング係合を示す。最初に図15を参照すると、方法600は最初にブロック602に進み、モータは例えば0.1mm~約3マイクロメートルの固定ステップに従って先端-試料離隔距離を低減する。フィードバック制御をオンにした本技術による力検出状態で、フィードバックループは先端を動かすこの場合ブロック604では試料の方へためにアクチュエータを制御する。ブロック606では、本アルゴリズムは、表面が検出されたかどうかすなわち、閾値設定点力に到達したかどうかを判断する。そうでなければ、図5に関連して上述したようなバックグラウンド減算が、ブロック602においてモータをさらにステップさせることに先立って行われる。そうならば、フィードバックは解放されて、持ち上げ高さは、ピーク力と最大負付着力位置との間のz移動量を計算し一定のマージン例えば10nmを加えることにより計算され、ブロック610において先端を上昇することができる例えば衝突の機会を最小限にするために。その後、ブロック612ではバックグラウンド減算が行われ、ブロック614において本技術によるフィードバック制御が再び開始される。図16では、ブロック708、712、714、716が図15のアルゴリズム600のブロック606、610、612、614に直接対応する。但し、表面を検出する前に、当該技術領域で公知のソーイング係合が、ブロック704においてモータをステップダウンさせる前にブロック702において先端を持ち上げるために採用される。この場合、その揚力はモータステップの1.5倍である。揚力の量は試料等のタイプに基づきユーザ選択され得る。その後、ブロック706において、本技術に従って力を検出するためにフィードバックはオンにされる。表面が検出されなければ、アルゴリズム700はブロック702において別の持ち上げを行う前にブロック710においてバックグラウンド減算ブロック608と同様なを行う。表面が検出されると、ブロック716においてSPMは試料を撮像することができる。図17は、先端-試料相互作用の実際の状況を示し、図6に関連した上記論述に補足的論述を与える。実際の先端-試料相互作用は同期距離マーカの近傍でだけ発生する。相互作用自由領域では、付着力の中断によるカンチレバーの残留自励振動が存在する別名、リングダウン。このような振動は基準線変動を引き起こし、図3に示すδFrと同じ変動をもたらす。このような変動は制御装置雑音になる。基準線変動を最小限にするために、基準線平均領域内のデータのように印の付いたデータは平均され、破線により表される単一定数になる。この定数データは、各フィードバックサイクル内のδFrを計算する際の基準線として使用される。基準線平均の領域はデータ品質に応じて変化する可能性がある。これは、ほぼ同期距離で発生する実際の先端-試料相互作用を平均化することを避けるために同期距離より短い必要がある。瞬間的相互作用力は、Fr_iが同期距離における瞬時値である可能性がある式1により計算される力δFrを使用することにより決定することができる。図18に示すように、それはまた、ゲートされた平均を通して決定される値である可能性があるまた図7と図8A/8Bを参照。ゲート平均方式は時間区域δt内の偏向値を使用し、この時間区域内のすべてのデータ点を平均化する。そうすることで信号対雑音比を大幅に改良することができる。Fr_iはフィードバック制御における設定点として機能する。これは、負のδFrを生じる値から高い正のδFrを生じる値まで変化する可能性がある。δFrの高い正の数は、試料とのより強い反発相互作用を意味する。図19に、ピークフォースタッピングPFT撮像に使用される瞬間的力制御の手順800を示す。ブロック802において、アクチュエータはプローブまたは試料を振動させ、0.1nm~3μmの範囲のピークトゥピーク振幅を有する相対運動を生成する。この時点で、先端は、試料から比較的遠く離れており、ブロック804と806において基準線とバックグラウンドを決定することができる。バックグラウンドが決定されると、バックグラウンドはまた、最小検知可能フォースができるだけ小さいことを保証するために、ブロック806において、検出された偏向から減算される。図15と図16において詳述されたように、ブロック808は係合によりプローブと試料を相互作用させるように動作する。試料がプローブと相互作用すると、ブロック810において、期間T内の偏向データは、同期距離図18、瞬間的力Fr_i、相対的力δFrを解析するためにサンプリングされデジタル化される。基準線とバックグラウンドは、このブロックにおいて図14に従って再検査されることができる。次に、ブロック812において、δFrとFr_iを事前設定値に維持するためにフィードバックが利用される。XY走査器もまた使用可能にされブロック814、試料に対してプローブを再配置し、例えば弾性、付着、エネルギー散逸を示す1つまたは複数の機械的像だけでなくトポグラフィック像も最終的に生成する。図20では、図20Aの測定時間分解曲線measurementtimeresolvedcurveは図20Bの実空間データに変換される。より詳細には、図20Aは、一変調期間内の時間の関数としての相互作用力のプロットである。図20Bは、一変調期間内の先端-試料距離の関数としての相互作用力である。材料の弾性特性は、例えばOliver-Pharrモデルまたは別の機械的接触モデルOliverWCandPharrGM2004計装化インデンテーションによる硬さと弾性率の測定MeasurementofHardnessandElasticModulusbyInstrumentedIndentationとJ.Mater.Res.192004年3月20日方法論に対する理解と精密化の進歩AdvancesinUnderstandingandRefinementstoMethodologyを参照を使用して、傾斜の上部図20BのセグメントDE参照。セグメントCDEは短距離反発相互作用を示すを使用することにより従来通りに計算することができる。ファンデルワールス引力は接近曲線図20Aと図20BのセグメントBCから決定することができ、一方先端が試料から離れるときに発生する毛細管付着も計算することができる例えばStifterらの走査型力顕微鏡における毛細管およびファンデルワールス力の距離依存性の理論的研究、フィジカルレビューB、第62巻、第20番、2000年11月15日TheoreticalInvestigationoftheDistanceDependenceofCapillaryandVanderWaalsforcesinScanningForceMicroscopy,Stifteretal.,PhysicalReviewB,Vol.62No.20,11/15/2000参照、。先端をxy面内で動かし、これらの測定を繰り返すことにより、弾性、ファンデルワールス付着、毛細管付着セグメントEFは引力と毛細管力に対応するなどの試料特性を全試料表面またはその一部に対し撮像することができる。さらに、接近曲線と回復逸脱曲線retrievingdepartingcurveとの差から、試料の硬度も撮像することができる。図20Bは、2つのタイプのデータ、すなわち直接測定データと派生データを表す。直接測定データは、各サイクル内で瞬間的に決定される相互作用力などのパラメータである。派生データは、曲線の任意の部分からの各相互作用サイクル内の計算データである。このようなデータは、図20Bの点Cから点Dへの侵入深さにより計算される変形である可能性がある。別の例は、接近曲線BCDと離脱曲線EFGにおいて囲まれた領域により定義される損失エネルギーである。さらに別の例は、図20BのBとFとの差によって計算される付着力である。派生データの任意のものをフィードバック制御パラメータとして使用することができる。例えば、変形がフィードバックパラメータとして選択されると、図1の制御ループは、一定のピーク力の代わりに一定の変形に基づき像を生成することになる。任意の他の派生データが、フィードバックループにおいて同じ目的を果たすことができる。瞬間的力制御型撮像の重要な1つの応用は深い溝測定にある。TappingMode商標AFMが深い溝約3:1以上のアスペクト比、撮像するのが最も困難な溝はサブ100nm幅通常は、10nm~100nmを有するを撮像するために使用されると、側壁における強い引力が振幅変化を引き起こす可能性があり、誤った溝深さを測定することになる。フィードバックとして直接斥力を利用することにより、フィードバックは、先端が試料に接触しているときだけz変化に応答する。その結果、力制御フィードバックは、TappingMode商標AFMよりさらに確実に深い溝を測定することができる。図21Aと図21Bは、この測定の実証を与える。測定は同じ試料位置において同じプローブと試料を使用する。瞬間的力制御フィードバックループは、溝の底に達する先端により実際の溝深さ測定結果を与えることができた図21B。一方、TappingMode商標AFMは、先端を早まって動かしたので、はるかに浅い深さ測定結果を生じ、溝の底は測定されなかった図21A。図22A/22Bと図23A/23Bを最後に参照して、本発明の追加機能について説明する。図22Aと図22Bでは、AFMは、先端-試料相互作用が常に斥力区域小さな振幅斥力モード内にすなわち、表面から数ナノメートル離れて留まることを確実にするに十分な小さな例えばサブナノメートル振幅においてZを変調するように操作される。これは、ピークトゥピーク力差ピークトゥピークZ変調に対応するFa-Fbまたはロックイン増幅器の振幅出力のいずれかをフィードバックとして使用することにより達成される。フィードバックパラメータは、振幅が十分に小さければこの場合、力勾配は線形である、斥力勾配に比例する。この場合、フィードバックは、短距離化学結合力原子分解能に対応する力にだけ敏感である。その結果、本技術は高解像度撮像に理想的である。図23Aと図23Bには、図22A/22Bに示されたものと同様な配置が示されるが、力曲線の引力部分が採用される小さな振幅引力モード。この場合、システムは、先端-試料相互作用が引力区域に常に留まることを確実にするのに十分に小さい振幅でZを変調する。また、力勾配が線形となるように振幅が十分に小さければフィードバックパラメータは引力勾配に比例するということを所与として、単純なピークトゥピーク力差Fa-Fbまたはロックイン増幅器の振幅出力のいずれかをフィードバックとして使用することができる。この技術は、先端が試料と接触しないので試料に対する破壊性が最も小さい。小さな振幅斥力モードと比較して、フィードバック極性は反転される。利点-PFTモード要するに、PFTモードAFM動作の利点は多い。本質的に安定な長期力制御を仮定すると、TappingMode商標速度で、ドリフトの無い試料撮像を高さ、剛性、付着、弾性および可塑性機械的特性測定と同時に実現することができる。本技術はDCドリフトにより影響を受けないPFTモードはそれ自体の基準を数100マイクロ秒毎に生成するので、安定動作は専門オペレータ無しでも損なわれない。これにより、SPMが、像完全性を実質的に損なうことなく、何時間さらには何日もの間大きな試料長時間実行できるようにする。結晶成長とポリマー相転移監視のように数分または数時間かかる可能性があるインプロセス測定に特に役立つ。特に、ピークフォースタッピング像は、2kHzを超える動作帯域幅で生成することができる。そもそもカンチレバー動力学が速度を制御する例えば、カンチレバー動力学が安定し、共振に戻るのに少なくとも数ミリ秒かかる振幅誤差が大きければ大きいほどより遅くなるので、タッピングモード帯域幅は約1kHzである。開示された実施形態はまた、弾性、付着、エネルギー散逸等を独立に測定するので位相解釈問題を無くすことができる。これらすべての係数は、カンチレバー振動の位相に寄与する。さらに、PFTモードは、一旦プローブが試料から離れるとカンチレバーリングダウンの完了を待つ必要が無いので、カンチレバー動力学に対する感度は低い。これは、真空中の高速度撮像を可能にし、またカンチレバー選択肢内の任意の選択を可能にする。この差は数桁にわたる相互作用力のマッピングを可能にし、一方、アーティファクトの無い細胞像を生成するために斥力解像度を使用することができる。PFTモードがプローブの共振周波数で動作する必要が無いということは、流体中で撮像する際に大きな利点がある。流体中の様々な寄生結合力により、カンチレバー調整は流体像を得る際の重要な課題である。PFTモードは、カンチレバーを調整する基準線平均化、バックグラウンド減算等必要性を完全に取り除く。さらに、力制御の範囲と、はるかに広いばね定数範囲通常、TappingModeAFMだけに対しては0.3N/mより大きい範囲、一方PFTモードは0.01N/m程度の低いばね定数を有するカンチレバーを使用することができるを有するカンチレバーを使用する能力は、生体試料撮像のためのさらに大きな余裕を撮像制御に与える。再び、これは、PFTモードが、毛細管付着力を克服するために、カンチレバー内に蓄積された振動エネルギーに依存しないということによる。本技術は外部駆動要素フィードバック回路の、好ましくはピーク力をトリガするを利用するので、毛細管力を克服するための機構は、カンチレバー自体の静的弾性エネルギー振動するプローブの運動エネルギーにより供給されるが、毛細管力を克服する際に先端を試料から引き離すTappingModeのものよりはるかに強力である。その結果、毛細管層の存在下で安定に動作するための片持ちばね定数に対する制限は事実上無い。したがって、PFTモードは、少なくとも0.01N/m程度の低いばね定数を有するカンチレバーを使用することにより安定したタッピング制御動作を可能にする。ピークフォースタッピング制御のさらに別の利点は、AFM動作の一モードにおいて0.01N/m~1000N/mのカンチレバーを使用する能力である。それは、弾性係数10kPa~100GPaにわたる単一計測器上の最も広い範囲の材料の高分解能機械的特性マッピングを可能にする。加えて、ほぼ瞬間的な力フィードバックを考えれば、先端衝突は事実上無くせる。また、偏向は流体力学的に補正されるので、調整は通常必要が無く、したがって、事実上任意のユーザにより、速い準備と設定がなされる。既存のAFM動作のモードと比較すると、低平均追跡力と組み合わせたPFTモードにより提供される低フォース高速撮像と、先端への横力の事実上の削除は、多種多様の試料にわたる高速度撮像において著しい進歩を与える。例えば、流体中の狭いDNA例えば2nm幅DNA試料だけでなく単一分子弾性も測定することができる。比較すると、流体中のDNAを撮像する際、TappingModeAFMは少なくとも2nm低い解像度を有する。さらに、TappingModeAFMは特性定量化能力を有しなく主として相対的機械的特性測定例えば位相画像内のコントラストを見ることによりを行うことができるだけであるので、流体中のDNA剛性を測定することはTappingModeAFMでは挑戦的である。本技術により、分子レベルまでの特性測定を実現することができる。結局、PFTモードは、先端および/または試料を損傷することなく、TappingModeAFMで捕捉されるものと同程度に良好なデータまたはそれより良好なデータ解像度例えば、横方向に100nm未満、より好適には約1nm未満等を捕捉することができる。本技術は、他の公知の力フィードバック技術を上回る著しい速度改善を提供し、小さなレバーを利用する必要無くそのようにする。実際には、かなり大きなレバー>60μm長を、レバー応答が所謂小さなカンチレバー>10kHzを使用する際に実現可能なものをはるかに上回る帯域幅を有するように、PFTモードにおいてサブ共振で動作させることができる。当然、この好適な実施形態の追加の利点は、像が通常のTappingModeAFM像を上回る情報を提供するように、力曲線がすべての画素に関し生成されるということである。すべての画素により、ユーザは、剛性、付着、弾性、可塑性等に関する定量的情報を得ることができる。また、基準線先端-試料離隔距離はすべての画素について再度零にされるので、ドリフトは生産性と像信頼性において大きな改善が達成されるように最小限にされる。概説すると、本PFTモードは、実時間特性マッピングすなわち瞬間的力制御を使用することにより非常に高い分解能を提供するように、極低フォース撮像を実現する。力制御は、ユーザの最小限の介入または介入無しで試料を撮像するのに十分に長い期間にわたって、本質的に安定である本質的にドリフトが無い。本システムは、調整基準線平均化と流体力学的バックグラウンド補正が必要無いので、より速くかつより単純な設定を可能にする。さらに、力に関する精密な制御が先端衝突を基本的に無くし、一方本技術/システムはまた試料表面上の横力を本質的に無くす。本システムはまた、一旦プローブが試料から離れると、プローブと試料とを相互作用させる前にプローブのリングダウンを待つ必要が無いことにより、カンチレバー動力学に対する感度が低い。論述されたように、TappingModeAFM速度>2kHzで高さ、剛性、付着、弾性、可塑性の同時測定結果を得るために、広範囲のカンチレバーがユーザに利用可能である。本SPMは、これらの特徴により流体中の2nm幅DNAなどの試料を撮像し、また単一の分子弾性などの機械的特性測定を改善することができる。PFTモード-使いやすさ本発明の好適な実施形態は、初心者によるAFMの使用を専門的ユーザのものとほぼ同等にするのを促進するためにPFTモードを使用する。例えば先端が試料と相互作用する先端-試料力に対する複雑な関係を表すときにプローブ振動の設定点振幅または位相からの偏差に基づき先端-試料相互作用を制御することにより動作するTappingModeAFMとは対照的に、PFTモードは振動モードにおけるプローブ変調のサイクルに沿った各点における先端-試料相互作用力に基づき制御先端-試料相互作用を制御する。相互作用力のこの直接制御は制御を単純化し、好適な実施形態が、振動高調波とシステム振動を含む変数を複雑にする影響を最小限にし、したがって安定性を維持できるようにする。図24Aに、立ち上り領域1004と立ち下り領域1006を含む試料プロフィール高さ1002の概略グラフ1000を示す。このプロフィール1002上に重畳されるのはAFMにより得られる追跡信号または画像1008である。走査が示された方向に続くと、安定したフィードバックが維持される。安定したフィードバックは、自励するすなわち、入力にかかわらず振動出力を生成する傾向が無いフィードバックループを指す。しかし、点Xにおいて、フィードバックは不安定になり始め、像はより雑音があるように見え始める。フィードバック利得を低減することにより、不安定なフィードバックはより安定になり得る撮像速度低減等という代償を払って。図24Bは重畳追跡信号1008に対応する誤差信号である。重要なことには、不安定なフィードバックの高さ信号と誤差信号の両方は、安定したフィードバックのものより雑音があるように見える。この現象は、以下に述べられる本発明の自動利得スケジューリング装置と方法において利用されることになる。図25に、フィードバック高さまたは誤差信号の振幅スペクトルのプロットを使用することにより、好適な実施形態により使用されるフィードバック不安定性検出を概念的に示す。信号スペクトルは安定したフィードバック1010と不安定なフィードバック1012の両方に対して示される。フィードバック不安定性は、いくつかの基準の1つまたは複数に基づき定量的に測定することができる。これらの基準は、例えば特定の周波数f0におけるスペクトル振幅を含む。周波数f0は、システム識別子を利用することにより、またはフィードバックが不安定なときのフィードバック信号のスペクトルを観察することから決定される。加えて、不安定性は、RMS誤差または標準偏差を計算することにより定量的に測定することができる以下の図27と図28と記載を参照。図26a-dを参照すると、先端が試料との接触を失うときパラシュート降下parachutingとして知られるの先端-試料力の図解が示される。図24Aと同様に、図26aに、試料プロフィール1022とその上に重畳されたAFM追跡高さ信号1024とを示す概略図1020を示す。この場合、A印の付いた領域では、先端は、画像走査中に試料表面との接触を失い、制御システムが先端を試料表面に戻そうとする通常、プローブまたは試料のいずれかをZ方向に動かすと、パラシュート降下する。図26bは、下方向傾斜面例えば図26aでは1026上では誤差信号測定された先端-試料相互作用力と設定点との差が負になり、制御システムに先端と試料を接触状態に戻すようにさせることを示す。平坦領域1032では、誤差は零であるので、先端は補正無しに表面を追跡している。上方向傾斜面1030上では、誤差は正であり、制御システムは、この情報を利用して、振動を設定点に戻そうとする通常、先端-試料離隔距離を増加させることにより。しかし、パラシュート降下領域A試料の下方向傾斜部1028に対応するでは、誤差は最初に下方向傾斜部を示すが、次に、先端は先端-試料相互作用力が零になると表面の追跡をやめる図26cを参照。先端-試料相互作用力データのズームを示す図26dは、先端-試料相互作用の領域に対応する力曲線を示すここではフィードバック補正が必要である。ここで、力は、引力領域接触力-ファンデルワールス力と、先端が表面と相互作用しその振動サイクルを続けるときの反発領域と、先端が表面から引き離れようとするときの付着領域と、次に離れた点と、により特徴付けられる。例えばTappingModeを越えるPFTモードの1つの利点は、既に詳細に論述されたように変調の別のサイクルを駆動する前にリングダウンを待つこと無しに表面を追跡するために相互作用力曲線上のすべての点が制御装置により利用できるということである。パラシュート降下する先端の場合、パラシュート降下は、以下の基準、すなわち、フィードバック誤差信号の特定の周波数または周波数群における標準偏差および/またはスペクトル振幅が閾値未満である、フィードバック誤差信号が閾値未満である、および/または一振動周期内のピーク力/付着力またはピークトゥピーク力が閾値未満であるの内の1つまたは複数によって、現時点で好適な実施形態において検出することができる。AFMを動作させるのに必要なスキルを最小限にするようにPFTモードで動作可能なAFM1100を図27に概略的に示す。AFM1100は、先端1106を支持するカンチレバー1104を含むプローブ1002を含む。プローブ1102は、この場合プローブ1102の先端1106をZ軸試料表面に直交方向に動かすことができる圧電アクチュエータなどのアクチュエータ1110に結合されるプローブホルダ1108に搭載される。プローブ1102が試料と相互作用すると、その偏向は、カンチレバー1104の裏側方向に光線Lを向ける光源1114例えばレーザを含む偏向検出方式1112により監視される。カンチレバー1104は、偏向を示す信号をADC1118に向かって送信する検出器1116例えば四象限光検出器に向かってビームLを反射する。アナログ偏向信号がADCブロック1118によりデジタルに変換された後、その結果の信号はPFTモード力検出ブロック1120に送信される。点毎に先端-試料相互作用力を抽出すための上記の装置と方法に従って決定された結果の力信号は比較回路1122に送信される。好ましくは、ピーク力は力設定点と比較され、誤差信号がPI制御装置1124に送信される。PI制御装置1124は、先端-試料離隔距離を制御するためにZ圧電アクチュエータに適用されるZ走査DACD-A変換器に送信される制御信号を出力するので、力設定点が維持される。安定性を促進し専門的ユーザの必要性を最小限にするために、利得は利得制御回路1123を使用して自動的に調整される。Zピエゾ1110を制御するために使用されるPI制御装置1124からの制御信号はまた、好ましくはピーク力ブロック1120を参照に対応する位置において高さデータを再サンプリングするブロック1128に送信される。次に、高さデータ内に振動があるかどうかすなわち、不安定性の徴候があるかどうかを判断するために振動検出アルゴリズム1130が採用される。システムがまさに振動するところであり不安定になれば、高周波雑音が検出されることになる。アルゴリズム1130が雑音の量を判断するやり方は、図28に関連して以下にさらに詳細に説明される。振動検出アルゴリズム1130は、不安定性この章では単に雑音と略すの大きさを示す信号を出力する。このような不安定性はそれ自体雑音のように表れ、フィードバックループにより引き起こされる。しかし、これは、フィードバックがオンしていないときのシステムの他の部分内の雑音と混同されてはならない。この雑音信号は加算回路1132において雑音耐性マージンと比較される。雑音耐性マージンは、製品に伴う所定のパラメータであり、試料依存では無く、調節することができる。回路1132の誤差出力が所定のマージンを越えれば、利得制御装置1134は、1130からの不安定性信号の大きさが雑音耐性マージン未満になるまで、例えばI利得とP利得を小さなステップ例えば5の各繰り返しで低減することにより制御装置1124の利得を調節するための適切な利得制御信号を決定する。要するに、各撮像位置において、利得はシステム安定性を保証するように最適化され得る。動作中、DAC1126により出力され利得制御回路1123により最適化されるZ走査制御信号は、加算回路1139においてZオフセットDAC1136以下にさらに説明されるの出力とZ変調DDS直接デジタルシンセサイザ:directdigitalsynthesizer1138により提供されるPFTモードの振動駆動とにより合成される。この自動利得スケジューリングがアクティブであることにより、AFM動作中の利得の専門的ユーザ調整の必要性は無くなる。フィードバック利得の自動調節における重大な要素の1つは、不安定性徴候を迅速かつ正確に判断する能力である。この判断はしばしば、利得制御装置内の不安定性誘発雑音と誤解され得る未知のトポグラフィにより複雑にされる。図28を参照すると、図27の振動検出ブロック1130を実施するためのアルゴリズム1140がさらに詳細に説明される。高さ情報は、高さが任意のAFMシステム上で校正されるので、不安定性振動のレベルを決定するために使用される。雑音耐性マージンは不安定性誘発雑音の許容大きさとして定義される。このマージンが高さ信号を使用することにより検出されると、このようなマージンはフィードバック系において許容される雑音の絶対値を与える。例えば、雑音耐性マージンが1nmであれば、1146または1148からのいかなる不安定性出力もこの範囲内であれば許容可能であると考えられる。100nm範囲の試料高さについては、このようなマージンは像中の100の信号対雑音比に対応する。しかし、1nm未満の波形部を有する平坦な試料については、雑音耐性マージンは試料高さ信号より大きくなる。このような状況では、雑音耐性マージンは適度に良好な像S/N比=10を得るために0.1nmまで低減されなければならない。このマージンは、試料粗さに基づき自己調節することができる。AFM動作中に得られる高さデータは試料トポロジーとシステム振動の両方を反映する。通常、アルゴリズム1140は、雑音が不安定性の徴候を示すのに十分大きいかどうかを判断するために試料トポロジーをフィルタで除去するように動作する。走査中試料トポロジーは通常隣接ピクセル同士間で大きな変化を有しないということを知ることが重要である。例えば3つの隣接点間の高差を計算することにより、試料トポロジーの大部分はフィルタで除去することができる。この再サンプリングされた高さデータ1131を図29に概略的に示す。q、r、sなどの3点がアルゴリズムにおいて解析されることが好ましいが、より多くの点が使用され得る。この点に関して、図28を再度参照すると、PI制御装置1124図27により出力される高さ制御信号はブロック1142において再サンプリングされる。この文脈における再サンプリングは、好ましくは少なくとも3つの隣接する力曲線のピーク力位置において高さデータ点を抽出することを意味する。ブロック1144では、選択された数のデータ点または画素間の高さの差が決定される。例えば、3点が選択されれば、計算は次式のようになる、HDiffi=Hi-lHi1-2Hi/2式3試料トポロジーを理想的には反映しない反映すべきではないこの差の絶対値|HDiffi|はブロック1146において得られる。このステップは本質的に振動検出器のように動作する。次に、ブロック1148では、移動平均が決定され得る。移動平均の決定は、高差計算に使用される所与の試料においてトポロジーがフィルタで除去さないように、トポロジーの著しい変化を呈する試料に対してだけ必要である。このような試料の例としては、鋭い段差を有する珪素格子が挙げられる。このような場合、トポロジーの急速な変化は通常、短命である。したがって、高差の移動平均を決定する比較的長い期間にわたって計算されることにより、このようなスパイクは振動解析からフィルタ処理されなければならない。より詳細には、スパイクの振幅と移動平均データとを比較することにより、スパイクはフィルタで除去される。問題の振動雑音は通常、トポロジー変化よりはるかに長く続くので、関連する振幅データは以前の移動平均データと同様である傾向がある。ブロック1149において方法1140を続けると、ブロック1136において得られた差の絶対値が移動平均の数倍例えば、ブロック1148において計算された移動平均値の4倍未満であれば、振動検出アルゴリズム1140の出力は|HDiffi|である。差の絶対値が上記数倍より大きければ、アルゴリズム1140の出力は移動平均値である。次に、この量のRMS値がブロック1150において決定される。加算回路1152図27に関連して上述したにより雑音耐性マージンと比較されるのはこの値である。最後にブロック1154において、利得制御フィードバック利得を増加/低減するが決定され回路1132の誤差出力に基づきPI制御装置1124へ送信される。利得は1130の出力が雑音耐性マージンより低ければ増加される。利得は1130の出力が雑音耐性マージンより高ければ低減される。PFTモードを使用するAFM動作の特定の実施を図30に示す。PFTモードを活用し本計測器をユーザーフレンドリにするため、上述の自動利得スケジューリング制御本明細書ではまたオートパイロットすなわちAFMを自動操縦すると呼ばれるは次のように実施される。ユーザは、ブロック1500において走査を開始し、次にブロック1502において所望の走査サイズを定義する。次にブロック1504において係合手順が開始され、先端と試料を接触させる。次に、ブロック1506においてAFMシステムはオートパイロットがオンかどうかを判断する。そうでなければ、この手順は完了しブロック1530、AFMは自動利得制御無しにオペレータ制御フィードバックを利用して動作するある専門的ユーザはそれらの測定結果を監視するとともに手動利得および設定点調節することを好むかもしれない。オートパイロットがオンであれば、ブロック1508において動作パラメータは工場定義デフォルト値によって初期化され、ブロック1510においてDSPが同様に初期化される。ブロック1512は、オートパイロット機能がDSPにおいて実施されるということを示す。パラメータが初期化されると、ブロック1514において走査サイズは小さな値に設定される。小さな走査例えば10nmは、設定点基準を提供するための初期ピーク力設定点および利得を決定するために低利得で行われる。すべてのAFM撮像について、ピーク先端-試料相互作用力を最小限にすることは通常、先端寿命と試料完全性の改善につながる。システムは、システム内の基本雑音の知識に基づき最小設定点を決定することができる。例えば、先端が試料と相互作用していないときに力検出雑音が100pNであれば、設定点を300pNに設定してシステム制御に十分なS/N比範囲を可能にし得る。ブロック1516では係合が検証され、ブロック1518ではシステムは係合を最適化しようとして初期利得および設定点を修正する。最適化は、1.相互作用が無いように先端を持ち上げることによりシステムバックグラウンド雑音を決定するステップと、2.ステップ1で決定されたピーク雑音バックグラウンドより通常3倍高い設定点を決定するステップと、3.雑音が雑音耐性マージンとほぼ等しくなるまで利得を増加する例えば所定のステップで反復的にステップと、を含む反復処理である。ブロック1520において利得と力設定点が小さな走査サイズにおいて決定されると、ブロック1522においてシステムはユーザ入力走査サイズに戻して、試料データを捕捉するためにAFM動作を開始する。ブロック1524において、システムはアルゴリズムが利得または設定点を調節しているかどうかを判断する。利得または設定点のいずれかがアルゴリズムにより調節されていなければ、ブロック1526においてデフォルト利得/設定点値に戻される。次に、ブロック1528においてシステムは監視するループ監視モードに入る。監視モードは振動が閾値を越えるかどうかを判断する。そうならば、利得を調節低減することができる。そうでなければ、より良い追跡のために利得を増加することができる。監視モードはまた、パラシュート降下事象を検出するように動作する。パラシュート降下事象が上述のように検出されれば、設定点は最適性能を目的として増加され得る。設定点増加は、好ましくは時間毎5増分だけおよび、上に概説されたステップ1~3を随意的に検証することにより実施される。上記は、ユーザ定義試料走査サイズの走査が完了するまで続く。要するに、上記フィードバック制御はプローブ振動/先端-試料相互作用の各変調期間中ほぼ同一のピーク相互作用力を維持することができる。本方法は、雑音バックグラウンドに基づきピーク相互作用力に関連する設定点を自動的に決定し、不安定性の振動の大きさに従ってフィードバック利得を自動的に決定する。そうすることにより、AFMは、データ収集中にシステム調節を行うことなく初心者が使用することができる。走査速度はまた、PFTモードを使用することにより、最適化のために自動的に調節され得る。図31を参照すると、走査制御アルゴリズム1600のフローチャートが示される。この場合、ブロック1602において、AFMは先端-試料相互作用の各サイクル中のピーク力の連続監視を含むPFTモードで動作している。ブロック1604において、方法1600はピーク力が事前設定閾値より大きいかどうかを判断する。例えば、閾値は8ボルトを越える測定に対応し得る。そうならば、ブロック1608において、走査速度調節信号は走査を適正量だけ遅くするために走査器に送信される。そうでなければ、本方法は次に、ブロック1606において、バックグラウンド変化が特定の閾値例えば0.25ボルトより大きいかどうかを判断する。そうならば、ブロック1608において走査速度は低減される。そうでなければ、ブロック1610において現在の走査速度が維持される。この最適走査速度制御は、PFTモードで動作する際にすべての画素において最適化されることができる。したがって、PFTモードは、捕捉する高品質像間の理想的なバランスを最短捕捉時間量内に与える。ブロック1606をさらに説明するために、一例として図32Aと図32Bを参照すると、図32Aは先端-試料相互作用力のサイクルの両側の平坦なバックグラウンド領域を示す。図32Bでは、バックグラウンドは試料トポグラフィの変化により影響を受け、先端は表面を追跡することができないので試料中に差し込まれ得る。この場合、このバックグラウンド変化は特定され、走査を遅くするために使用される。PFTモードはまた、自動Zリミット制御を可能にし、このAFMの使いやすさをさらに促進する。ZリミットパラメータはZピエゾアクチュエータのダイナミックレンジを定義する。プローブはこの範囲の中心にあることが好ましい。ZリミットはZ方向における画像解像度に影響を与え、試料依存である。例えば、試料が平坦であれば、雑音振幅はピーク分解能と同等であり、したがって雑音が捕捉像内に現れる可能性を最小限にするために分解能は低減されなければならない。従来、これは、試料が平坦かどうかを判断することによりユーザにより手動で行われた。PFTモードでは、Zリミットパラメータの制御は自動である。この点について、図33を参照すると、ブロック1702において方法1700がPFTモードで動作を開始したZリミットが、試料表面の粗さを知ることなくフル全走査範囲に設定された後、ブロック1704において、方法1700は、ユーザにより定義された走査領域に対応する試料表面の1つの完全なフレームを捕捉する。次にブロック1706において、フレームのRMS高さが計算される。ブロック1708において決定されるようにRMS高さが閾値未満例えば10nmであれば、ブロック1710においてZリミットが調節される。例えば、閾値を満足する平坦な試料に関しては、Zリミットは特定の値、例えば2マイクロメートルまで減らされ得、フレームは再走査される。これは、ユーザが画像に満足して次に進むまで繰り返し行われ得る。好ましくは、調節済みZリミットはユーザが走査領域を変更するまで維持される。自動化に加えて、PFTモードは、試料のすべての走査位置例えば画素において高品質撮像を保証し試料の機械的特性測定結果を得る能力を最大化するのに役立つ。例えば、PFTモードは、先端半径監視を行うために使用することができる。高品質像を得ることに対する1つの大きな問題は、鋭いプローブ先端がいつ損なわれたかをユーザが検知する困難さである。先端は汚染される流体中で撮像する、油状の試料を撮像する等ことにより損なわれ得、または、物理的構造は例えば摩耗鈍い先端により撮像中に損なわれ得る。損なわれた先端は、試料位置において得られる力曲線を精査することにより特定することができる。図34は、先端健全性を示す力曲線の部分を示す。図34において、概略グラフ1801は先端軌跡を表す。この軌跡は、正弦波信号と走査器制御信号を使用して定義される任意形状との一部である可能性がある。試料近くの位置において、ファンデルワールス引力が概略グラフ1802中のセグメントA-Bとしてプロットされる。ここで1802-1は非相互作用零力基準線を表す。このセグメントの傾斜は先端半径を利用して決定される。先端半径が大きくなると点Aをファンデルワールス力の早い徴候に対応して左に移動することになる。セグメントA-Bを解析することにより、先端半径を推定し、先端が依然として鋭いかどうかに関する判断を行うことができる。具体的には、領域A-Bの傾斜は先端が損なわれたかどうかの指標となる破線は先端が損なわれているときの応答を模式的に示す。PFTモードでは1つまたは複数の力曲線があらゆる画素において生成されるので、先端力監視は、走査と共にほぼ瞬間的に発生することができる。したがって、先端が損なわれているかどうかを特定しようとするために撮像に割り込み、試験力曲線を得るのではなく、PFTモードで動作するAFMは、すべての走査位置においてこのような条件を自動的に特定することができる例えば数100マイクロ秒毎に。特定されれば、走査は中断され、ユーザに通知することができ、これによりさらに無用なデータの捕捉を防ぎ、損なわれた先端をユーザが交換できるようにする。先端が損なわれているかどうかの指標は汚染である。このような汚染は、図34の概略プロット1803における、付着仕事量として知られた陰影領域wを解析することにより決定される。先端が水または別の物質により汚染されれば付着仕事量はより高くなり、先端が表面から退避するときにメニスカスを形成し得る。より大きな付着仕事量はより重い汚染を表す。力曲線は各画素において捕捉されるので、汚染に関係する先端が損なわれているかどうかも連続的に監視することができる。先端がポリエチレングリコールPEG:Polyethyleneglycolまたは樹枝状結晶などの特定の化学的結合により官能化されれば、付着仕事量が意図的に導入される。この場合、特定の相互作用を呈する試料と先端が相互作用すると、官能化付着だけが分子部位において大きな付着仕事量を生成し、例えばポリエチレングリコールPEGまたは樹枝状結晶との付着を生じる。この相互作用を監視することにより、付着マップは化学的または生化学的認識マップとなり得る。図34の概略グラフ1802内の接触点Dと同期される電気的、光学的、磁気的、または熱的摂動または励起も印加することができる。電流、電圧、熱的特性、磁気応答、または光分光学応答の同期検出は、点Dが近接試料相互作用または近接場相互作用における制御を表すので、大きな信号対雑音改善を実現することができる。利点-PFTモードと使いやすさ要するに、PFTモードは、AFMが非専門的ユーザにより操作されることを可能にするいくつかの操作優位性を提供する。使いやすさを考慮する際、専門的ユーザの必要性を最小限にするためにいくつかの撮像要素を考慮しなければならない。最初に、フィードバックの安定性が維持されなければならなく、上記自動利得調整/スケジューリングがPFTモードにより有効になった状態で、安定性は利得を手動で調節するために専門家無しに達成される。次に、高品質像を得るために、AFMは試料表面を追跡しなければならない。制御を瞬間的先端-試料相互作用力に基づかせることにより、最小誤差を有する最適追跡のための設定点力を選択することができる。また、上述のように、走査速度と自動Zリミット制御はまた、撮像速度または高品質像を得る能力を損なうことなく、AFMを動作させる際の専門家の必要性を最小限にするように働く。TappingModeなどのAFM動作の公知の振動モードとは対照的に、PFTモードは全く異なる動力学的方式で動作する。振動モード設定点は、相互作用と、先端と試料間の力と、の非常に複雑な関係を有するパラメータ通常は、振動の振幅または位相である。本明細書において論述されたように、PFTモードは、先端が試料表面と相互作用しそのフィードバック方式において対応する力情報を使用するので、先端振動の各点を考慮する。これにより、好適な実施形態がユーザ制御型フィードバック無しに、そして撮像中に必要とされるユーザ調節無しに動作できるようにする誤差信号の自動最小化。PFTモードはまた、調整単純な事前撮像手順だけを必要とする、図30を伴う試料との断続的な接触およびその暗黙の利点を提供し、調整の無い設定を可能にする。その結果、初心者は、調整を行う必要無しに一定の解像度例えば1nN以下でかつ一定の速度例えば1/2Hz、256画素以上で撮像することができる。さらに、すべての画素における力曲線を提供することにより、ユーザは合理的な速度と一定の解像度で確定的データ例えば付着を得ることができ、撮像中にそうすることができる。これはすべて、先端と試料間の単一相互作用線形伝達関数を表し、公知の振動モードと全く対照的に基づく応答を可能にする力先端-試料に直接フィードバックすることにより可能になる。特に、すべての上記概念は、計測器が電流に関しフィードバックする電気的状況例えばSTMにおいても同様に採用することができる。また、フィードバックの複雑な特性のために、従来の振動モード中に得られるデータは通常、複雑な間接的解釈を必要とする。PFTモードがタッピングエンベロープベースというよりむしろ力曲線ベースであるということを考えれば、PFTモードはデータの直接解釈を可能にする。PFTモードで動作する別の利点は、いくつかの試料をより効果的に撮像する能力を含む。例えば、半導体応用では、狭い溝を確実に撮像するAFMの能力の無さによりしばしば、ユーザはこのような測定をするために、AFM以外の計測学的機器を選択したくなる。しかし、PFTモードでは、先端と試料間の減衰例えばスクイーズ膜減衰は存在しなく、したがって高アスペクト比試料特徴の確実な測定を可能にする。加えて、PFTモードは制御パラメータドリフトの影響を受けにくい。例えば、TappingModeAFM自由空間振幅は撮像中変化し先端/試料力の変化を引き起こし、先端/試料相互作用の損失を生じ得る。このようなドリフトは、TappingModeAFMが長時間の安定撮像を行うのを妨げる。PFTモードにより、ユーザは1時間を越える間夜通しを含む撮像することができ、これに対し従来の振動AFMモードを使用すれば1時間未満である。全体として、PFTモードでは、環境条件に対するカンチレバー応答の減結合がある。真空流体および大気中の撮像は設定に影響を与えることなく遂行することができ、したがって計測器を非常に使いやすくする。振動周波数はいかなるカンチレバー共振とも無関係に設定することができ、流体中の使用を著しく単純化する。具体的には、公知の断続的接触モードは共振における動作を必要とするが、PFTモードはサブ共振で動作することが好ましい。これは再び、極端に小さな瞬間的平均ではない力約1μΝ~1pNに基づき制御する能力による。その結果、AFMはまた、カンチレバーQがサブ共振において無関係である伝達関数は共振時のカンチレバーに蓄積されたエネルギーと無関係であるということ考えれば、フィードバックをより速く実行することができる。最後に、上に論述したように、PFTモードはまた、サブ1~10N/mばね定数を有するカンチレバーの使用を可能にする。図35a-dを参照すると、試料のPFTモードを使用して試料の物理的特性測定を行う代替方法を示す一連のプロットが示される。要するに、プロットは、ピークフォースタッピングモードに関連するプローブ-試料相互作用とほぼ同時のゲートされた物理的測定を説明する。垂直線p1~p5は、PFTモードのプローブ-試料相互作用の一周期中に経験されたプローブ-試料力を示す図35bに定義された各物理的事象のタイムスタンプをマーキングする。すべてのデータは、時刻0から周期Tの終わりTまでの先端と試料間のピーク力相互作用の一周期間プロットされる。線p1は、プローブが先端-試料相互作用に近づく時刻であって、その零基準線1からの点Bにおける相互作用力曲線の偏差により検出された時刻を表す。線p2は、力曲線における一次導関数の極性が変化するB’における相互作用力の遷移を表す。B’は、最小点または一次導関数遷移領域の近傍の任意の点である可能性がある。線p3は、一次力導関数の極性が再び変化する極大を示すピーク力点Cを表す。線p4は点Eにおける別の一次導関数極性変化を表す。点Eは、最小点または一次導関数遷移領域の近傍の任意の点である可能性がある。点E’では、p5線は、相互作用力が水平方向零力線1点Fに近づくときの近接近傍相互作用力の減少を表す。図35bにおける相互作用力測定はカンチレバープローブ偏向を監視することにより行われる。図35aのプローブ表面位置決め制御は、カンチレバープローブを試料に対して動かすアクチュエータにより行われる。試料に対する先端の軌跡は、図35aに示すよう正弦波、または当該技術において理解されるようにp1からp5までの任意の時間セグメントを意図的に増加または低減する任意の形状である可能性がある。ユーザは例えばデューティサイクルを増加または低減するためにそうしたいかもしれない。p2~p4を変化させる同じ変調周波数は熱的検討のためには増加し、粘性-弾性検討のためには、p2-p4を例えば1のデューティサイクルから50のデューティサイクルに変化させる。粘性-弾性影響の依存性を検討するために、粘性-弾性検討のための短いデューティサイクルが使用されるだろう。p1~p2非接触時間、光学測定中は長いデューティサイクルが好ましいかもしれない。温度測定はデューティサイクルp2~p4を可能な限り増加し、次に、より長い期間の間信号を積分することができる。p1とp2間の時間区域は例えば、検知可能な負力ヴァンデルワールス引力により試料と先端が相互作用している近傍相互作用区域である。他の例としては電気的または磁気的力が挙げられる。この領域は長距離相互作用力を表し、通常負力すなわち引力を示す。同じ近接干渉領域は、最小相互作用力がプローブの先端におけるファンデルワールス力または電気的または磁気的力と毛細管相互作用の両方を含むp4とp5間で再び発生する。この領域はまた、大抵の場合、負引力を示す。線p2とp3間の時間区域は接触相互作用領域である。この時間は、2つの転移温度B’とE間で発生する相互作用力を特定することにより測定される。接触領域は通常、点B’とCの間で見られるようなより大きい正の値までの相互作用力の上昇が伴われる。点Cで、Z制御はプローブを退避させ始める。しかし、プローブは、プローブの先端が接触および毛細管相互作用から抜け出す点Eまで試料に接触したままである。次に図35cを参照すると、機械的力以外の物理的相互作用が先端と試料間に印加される。このような相互作用は先端と試料との間のゲートされた電圧である可能性がある。これはまた、磁気的相互作用などの任意の他の外部印加相互作用場である可能性がある。図35dでは、先端と試料との間の電流などのプローブ物理的応答が測定され、この場合線p2とp4間のゲート領域においてだけ測定される。ゲートされた測定は、図35aのプローブ位置制御と図35bに示される力検出とに同期される上述のように。ゲートされた領域内のもの以外の信号は寄生雑音と考えられ、信号処理を通して減じることができる。このような信号処理は、線p1とp5間の領域外のすべての無効な例えば、電圧印可時電流無し、物理的応答無し、無接触物理的応答データを平均化する形式であり得、これは各測定期間中に減じられるバックグラウンド寄生信号として使用することができる。このシステムを示すブロック回路線図を図39に示す。代替実施形態では、物理的励起信号は試料またはプローブに加わる熱である可能性があり、ゲートされた物理的応答は、p2とp4間のゲートされた時間区域内の温度変化である可能性がある。図35cの熱または熱励起の応用は、例えば熱的測定を行うように選択された熱量を生成するためにプローブまたは試料中に発熱体を埋め込めるようにし同発熱体に電流を流すことにより実現できる。このシステムを示すブロック回路線図を図40に示す。さらに別の実施形態では、図35cの励起信号は電磁波である可能性があり、図35dの検知信号はp2とp4間のゲートされた時間区域内のインピーダンスの変化である可能性がある。マイクロ波などの電磁波の応用は試料またはプローブに導波管を適用することにより実現できる。代替として、図35cの励起信号は光学的励起である可能性があり、35dの検知信号はp2とp4間のゲートされた時間区域内の光分光学応答の変化である可能性がある。マイクロ波などの電磁波の応用は試料またはプローブに導波管を適用することにより実現できる。さらに別の実施形態では、図35cの励起信号は電圧信号である可能性があり、図35dの検知信号はp2とp4間のゲートされた時間区域内の電気抵抗の変化である可能性がある。電圧の応用は、試料の一部を導電性にするおよび試料に電気的に接続されるプローブの一部を導電性にすることより実現できる。さらに、別の実施形態では、図35cの励起信号は磁力である可能性があり、図35dの検知信号はp2とp4間のゲートされた時間区域内の磁気応答の変化である可能性がある。磁力の応用は永久磁石または誘導磁石の一部を含む先端を使用することにより実現でき、電気的測定の変化はp2~p4時間区域内の電流、電圧、または抵抗である可能性がある。これらの代替案では、PFTモードの付加的有用性を考えると、一連の試料特性がいかなる従来のAFM技術とも異なり監視され撮像され得る。励起の異なる形式を使用するこれらの代替システムを示すブロック回路線図を図41に示す。特に、最良の信号対雑音比は通常、測定電流のゲートされた平均を使用して実現できる。但し、1サイクル内のピーク電流または平均電流を使用することができる。図36a~dを参照すると、図35a~dに対応する上記説明は図35cと図36c以外にも当てはまる。この場合、励起信号は、物理的応答測定だけがゲートされた時間区域内に発生している間、一定のままである。例えば、恒常的励起は試料を過熱または燃焼する可能性があるので、必要に応じて励起するだけである。図37a~dでは、ゲートされた領域は、ユーザが行っている物理的特性測定のタイプに基づきp1とp2間の時刻に変更される。図37cの励起は、ゲート機能ではなく一定である図36のように可能性があるということに留意されたい。図38a~dでは、ゲートされた応答はp3とp4間の時間区域内で発生する。時には、ユーザにとって最も興味ある領域は接触時間領域の前後にある。接触前に、準接触領域内に、光学的、電気的、および磁気的特性に関連する興味あるデータを見出すことができる。機械的特性測定は通常、接触領域内で行われる。接触後、例えば第2番目最小値後、メニスカスは形成し得、付着などの特性は相互作用に基づき決定することができる。本発明者らにより考えられた本発明を行う最良のモードが上に開示されたが、上記発明の実施はそれに制限されない。本発明の特徴の様々な追加、修正、再構成が、根底にある発明概念の精神と範囲から逸脱すること無くなされ得ることは明白だろう。"