Felipe Aguilar Sandoval, PhD Thesis, Universidad de Santiago de Chile (2013)
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El manuscrito se compone de cinco capítulos. Después de una introducción corta al AFM y el objetivo del trabajo, el primer capítulo describe el principio de funcionamiento del dispositivo interferométrico de cuadratura de fase, su diseño y implementación. Destaca como el instrumento permite medir deflexiones importantes (hasta varias veces la longitud de onda del láser utilizado), con una sensibilidad constante.
El segundo capítulo se enfoca en la descripción del comportamiento mecánico del “microcantilever”, y el ruido térmico de éste: las fluctuaciones de deflexión debidas a la temperatura del sistema se pueden medir con buena precisión usando el interferómetro, ofreciendo un método de calibración de su rigidez. En este capitulo, Felipe vuelve a las bases de la descripción de una viga empotrada con el modelo de Euler-Bernoulli, demostrando experimentalmente la validez de este modelo para el microcantilever, y luego desarrolla una demostración del teorema de fluctuación-disipación por este sistema, partiendo de la equipartición de la energía. Finalmente, usando el modelo de Sader para describir la amortiguación del sistema, logra tener una descripción completa del ruido térmico del “microcantilever”.
En el tercer capítulo, se explica como se puede acondicionar las salidas del interferómetro a cuadratura de fase para usar lo en un dispositivo de microscopia de sonda de barrido clásico. De hecho, el interferómetro tiene dos salidas que permite seguir la deflexión en un rango amplio con sensibilidad constante, cuando se necesita una sola señal de retroalimentación para hacer imagines en modo contacto o dinámico con un AFM. Un dispositivo analógica ha sido desarrollado para esa tarea, y Felipe lo caracteriza ampliamente, demostrando su capacitad y limitaciones.
El cuarto capitulo se enfoca en entender las varias fuentes de ruido del sistema de detección, demostrando que la mayor parte se debe al ruido de disparo o “shot noise”, que se traduce por un ruido blanco del orden de 10-14 m/√Hz en los espectros de fluctuaciones de la deflexión con el láser He-Ne inicial. Después de una derivación de la expresión de este “shot noise”, Felipe concluye que el ruido de detección del interferómetro se puede mejorar subiendo la potencia del láser y bajando su longitud de onda. Usando un láser de estado solido verde de potencia 40 veces mayor que la del He-Ne, logra bajar el ruido de fondo de un orden de magnitud, llegando a una resolución del orden del femtómetro por raíz Hertz.
En un último capítulo, Felipe Aguilar estudia como la mayor potencia de iluminación afecta la respuesta del “cantiléver”. De hecho, se detecta un corrimiento de sus frecuencias de resonancia a medida que sube la potencia del láser. Ese efecto se entiende por la subida de la temperatura del cantilever que absorbe una parte de la luz enfocada en su extremo. Para entender como ese efecto depende del modo considerado, Felipe desarrolla una análisis completo del fenómeno considerando el efecto de un perfil de temperatura sobre las ecuaciones de Euler-Bernoulli. Este modelo describe con buen éxito las observaciones experimentales.
Al final del manuscrito, una conclusión corta resuma el trabajo y abre unas perspectivas a explorar para el futuro.
