4.3 Dicroismo nelle Porfirine
5.1.1 Il Circuito di Feedback
Il microscopio `e controllato da dei circuiti elettronici esterni. Fra questi, uno dei pi`u importanti `e il circuito di feedback, il quale ha la funzione di mantenere il pi`u possibile costante la distanza sonda-campione. Come gi`a scritto nel paragrafo 2.7, il controllo della distanza sonda-campione avviene mettendo in rapida oscillazione la sonda, posta nelle vicinanze della superficie del campione, in direzione parallela ad esso e misurando l’ampiezza di oscillazione. Poich´e tale ampiezza viene smorzata dalla shear force, che dipende dalla distanza sonda-campione, la misura dell’ampiezza di oscillazione permette di monitorare la distanza sonda-campione. Il circuito di feedback richiede la presenza di un sistema di rivelazione di tale ampiezza, la quale viene misurata dalla tuning fork.
In fig. 5.3 `e mostrato uno schema dell’elettronica di feedback. L’ampiezza di oscillazione viene rivelata mediante un sistema (rivelazione eterodina) costituito da due oscillatori in fase tra loro, entrambi alloggiati in schede inserite in un PC di controllo, le cui frequenze di lavoro ν1 e ν2 sono tali per cui la quantit`a |ν1 − ν2|
(∼ 8kHz) viene mantenuta fissa. Uno dei due oscillatori, indicato in fig. 5.3 con “Oscillatore 2”, controlla il piezoelettrico di dithering, cio`e l’elemento che mette in oscillazione la tuning fork, mentre il segnale prodotto dall’altro oscillatore, indicato con “Oscillatore 1”, viene inviato ad un miscelatore, assieme al segnale amplificato proveniente dalla tuning fork. Il segnale uscente dal miscelatore viene quindi inviato ad un filtro passa-banda di frequenza centrale pari a |ν1− ν2| e larghezza di banda
molto stretta (∼ 500Hz), seguito da un convertitore RMS-DC. Ne risulta un segna- le continuo, proporzionale all’ampiezza del segnale oscillante prodotto dalla tuning fork.
Prima di effettuare la scansione vera e propria, viene determinata la risonanza mec- canica del sistema fibra ottica-tuning fork, in condizioni di oscillazione “libera”, cio`e quando la sonda `e abbastanza distante dal campione da poter considerare l’effetto prodotto dalla shear force trascurabile. In questa fase, l’oscillazione del piezoelettri- co di dithering viene fatta variare su un ampio intervallo di frequenze. L’operazio- ne viene compiuta via software, agendo direttamente sulle schede degli oscillatori.
5.1. DESCRIZIONE DELL’APPARATO SPERIMENTALE. 113
Figura 5.3: Schema del circuito elettronico di feedback per la rivelazione della shear force [50].
Durante la scansione in frequenza, l’ampiezza di oscillazione viene continuamen- te acquisita da una scheda AD/DA (National Instruments PCI-MIO-16E-10). Lo spettro risultante viene quindi analizzato via software allo scopo di determinare la frequenza di risonanza e l’ampiezza di oscillazione libera corrispondente. Di norma, la risonanza viene trovata attorno alla frequenza di risonanza della tuning fork, il cui valore nominale `e di 32768Hz1; infatti, la risonanza effettiva della tuning fork `e in genere situata a valori pi`u bassi di quella nominale, tipicamente attorno a 32kHz. Ci`o `e da attribuire a due fattori: l’inerzia della fibra ottica, la quale viene incollata ad uno dei rebbi della tuning fork; il valore nominale della frequenza di risonanza `e
114 CAPITOLO 5. RISULTATI.
riferito alla tuning fork provvista di un involucro protettivo, il quale viene rimosso prima dell’incollaggio alla sonda SNOM.
Questi due fattori determinano inoltre un allargamento della curva di risonanza2. Grazie al controllo via software la scheda AD/DA genera un segnale di riferimento Vref, detto set point, pari ad una frazione predefinita dell’ampiezza di oscillazione
libera. In questo lavoro di tesi Vref `e stato scelto pari all’80% del valore dell’am-
piezza di oscillazione libera. Una volta determinati la frequenza di risonanza del sistema fibra ottica-tuning fork, l’ampiezza di oscillazione libera e Vref, il sistema `e
pronto per operare. A questo punto pu`o avere inizio la cosiddetta fase di approccio, nella quale la testa del microscopio viene avvicinata al corpo in modo tale che la distanza sonda-campione possa raggiungere le condizioni di scansione. In questa fase, controllata via software, il motorino passo-passo che agisce su una delle viti micrometriche di cui `e dotato il corpo del microscopio viene attivato, in modo tale che la distanza sonda-campione diminuisca di certo valore, circa 2µm, minore della massima estensione dello spostamento del piezoelettrico di scansione in direzione verticale. Al termine di questo spostamento grossolano, una rampa di tensione vie- ne inviata al piezoelettrico, in modo che il campione venga avvicinato alla sonda. L’ampiezza dell’oscillazione viene continuamente comparata al valore di set-point e il processo iterato finch´e essa non raggiunge il set-point. Quando questo si ve- rifica, la sonda `e in condizioni di approccio, cio`e la distanza sonda-campione si `e ridotta fino al valore necessario per eseguire la scansione del campione. Il segnale Vsf uscente dal convertitore RMS-DC durante la scansione, detto anche shear force,
viene inviato alla scheda AD/DA per l’acquisizione del cosiddetto segnale di errore Verr = Vsf−Vref. Poich´e Vsf `e proporzionale all’ampiezza di oscillazione della sonda,
il segnale di errore conterr`a informazioni sulle variazioni locali nella topografia. Il circuito di feedback ha la funzione di mantenere il segnale di errore il pi`u possibile vicino a 0, in modo che la sonda si trovi ad una distanza il pi`u possibile costante dalla superficie del campione3 (nel nostro caso, la distanza ottimale `e nominalmente
di 5-10nm). A tale scopo, esso ricorre a tre amplificatori in parallelo nella configura- zione PID (proporzionale-integratore-derivatore), sui pesi dei quali `e possibile agire
2Il fattore di qualit`a dell’oscillatore costituito da tuning fork e sonda SNOM `e normalmente compreso
fra 200 e 1000.
3
In generale, il segnale Verr non `e mai costantemente nullo a causa del tempo di risposta finito