チューニングフォーク原子間力顕微鏡を使用したフォーススペクトル鏡検査曲線におけるヒステリシスループの測定

非接触原子間力顕微鏡（NC-AFM）の周波数シフトと距離の測定により、振動先と表面の間の力勾配の測定が可能になります（力視点測定）。非保守的な力が先端頂点と表面の間に作用する場合、振動振幅が減衰します。散逸は、先端サンプルシステムのポテンシャルエネルギー表面の双安定性によって引き起こされ、プロセスは、先端のアプローチと撤回の間の力のヒステリシスとして理解できます。この論文では、チューニングフォークベースのNC-AFMを使用して、PTCDA/AG/SI（111）√3×√3表面の77 Kで、フォーススペクトル鏡検査曲線でヒステリシスループ全体の直接測定を示します。ヒステリシスループの距離範囲よりも小さい振動振幅を使用します。ヒステリシス効果は、表面上のPTCDA分子と先端のPTCDA分子間の結合の作成と破壊によって引き起こされます。対応するエネルギー損失は、アプローチと撤回時の力距離曲線の評価により、0.57 eVと判断されました。さらに、先端の分子が表面と接触している間、振動の減衰を通じて2番目の散逸プロセスが特定されました。この散逸プロセスは、主に先端の収縮中に発生します。約0.22 eV/サイクルの最大値に達します。

Measurements of the frequency shift versus distance in noncontact atomic force microscopy (NC-AFM) allow measurements of the force gradient between the oscillating tip and a surface (force-spectroscopy measurements). When nonconservative forces act between the tip apex and the surface the oscillation amplitude is damped. The dissipation is caused by bistabilities in the potential energy surface of the tip-sample system, and the process can be understood as a hysteresis of forces between approach and retraction of the tip. In this paper, we present the direct measurement of the whole hysteresis loop in force-spectroscopy curves at 77 K on the PTCDA/Ag/Si(111) √3 × √3 surface by means of a tuning-fork-based NC-AFM with an oscillation amplitude smaller than the distance range of the hysteresis loop. The hysteresis effect is caused by the making and breaking of a bond between PTCDA molecules on the surface and a PTCDA molecule at the tip. The corresponding energy loss was determined to be 0.57 eV by evaluation of the force-distance curves upon approach and retraction. Furthermore, a second dissipation process was identified through the damping of the oscillation while the molecule on the tip is in contact with the surface. This dissipation process occurs mainly during the retraction of the tip. It reaches a maximum value of about 0.22 eV/cycle.