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Very-high-frequency probes for atomic force microscopy with silicon optomechanics

Microsystems & Nanoengineering 2022年第2期8卷 35-48页

作者： L.Schwab P.E.Allain N.Mauran x.dollat L.Mazenq D.Lagrange M.Gély S.Hentz G.Jourdan I.Favero B.Legrand Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systemes Universite de ToulouseCNRS UPR 800131031 ToulouseFrance Laboratoire Materiaux et Phenomenes Quantiques Universite de ParisCNRS UMR 716275013 ParisFrance Universite Grenoble Alpes CEALETIMinatec Campus38000 GrenobleFrance

Atomic force microscopy(AFM)has been consistently supporting nanosciences and nanotechnologies for over 30 years and is used in many fields from condensed matter physics to *** enables the measurement of very weak forces at the nanoscale,thus elucidating the interactions at play in fundamental ***,we leverage the combined benefits of micro/nanoelectromechanical systems and cavity optomechanics to fabricate a sensor for dynamic mode AFM at a frequency above 100 *** frequency is two decades above the fastest commercial AFM probes,suggesting an opportunity for measuring forces at timescales unexplored thus *** fabrication is achieved using very-large-scale integration technologies derived from photonic silicon *** probe's optomechanical ring cavity is coupled to a 1.55 pm laser light and features a 130 MHz mechanical resonance mode with a quality factor of 900 in air.A limit of detection in the displacement of 3×10^(-16)m/VHz is obtained,enabling the detection of the Brownian motion of the probe and paving the way for force sensing experiments in the dynamic mode with a working vibration amplitude in the picometer *** inserted in a custom AFM instrument embodiment,this optomechanical sensor demonstrates the capacity to perform force-distance measurements and to maintain a constant interaction strength between the tip and sample,an essential requirement for AFM *** indeed show a stable closed-loop operation with a setpoint of 4 nN/nm for an unprecedented subpicometer vibration amplitude,where the tip-sample interaction is mediated by a stretched water meniscus.

关键词： cavity maintain instrument

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