TY - THES A1 - Schröter, Maria-Astrid T1 - Untersuchung schwingender Mikrostrukturen mittels dynamischer Rasterelektronenmikroskopie: Experiment und Theorie N2 - Die vorgelegte Arbeit zeigt die Ausarbeitung und die Überprüfung einer Theorie, mit welcher die Ergebnisse aus einem neu entwickelten Mess-Verfahren (DySEM-Technik) beschrieben werden können. Mit dem Begriff “DySEM“ (Dynamic Scanning Electron Microscopy) wird ein experimentelles Verfahren bezeichnet, bei dem ein Elektronenstrahl als Mess-Sonde über einem mikroskaligen Schwinger verfahren wird, wobei die Schwingung durch eingesetzte Lock-In Technik frequenzaufgelöst dargestellt werden kann. Neben dem klassischen Sekundärelektronen-Signal wird zur Bildgebung auch der Anteil aus dem Signal genutzt, der sich anregungssynchron ändert. Die DySEM-Technik ermöglicht eine direkte Visualisierung der Schwingungsdynamik der oszillierenden Struktur, da zwischen unterschiedlichen Eigenmoden (flexural, torsional) als auch den jeweiligen höheren Harmonischen optisch eindeutig unterschieden werden kann. Damit bietet sich dieses Verfahren als ein Werkzeug der Modal-Analyse mikroskaliger Schwinger an, welche in mikro- bzw. nanoelektromechanischen Systemen (MEMS bzw. NEMS) häufig Verwendung finden und bei denen eine Optimierung der Designparameter oft erst durch die Bildgebung der Schwingung zu erreichen ist. Zusätzlich zeigen die DySEM-Bilder charakteristische Amplituden-abhängige Bildmerkmale, die theoretisch verstanden werden müssen. Prinzipiell ist die DySEM-Technik nicht an den Elektronenstrahl als Mess-Sonde gekoppelt. Allerdings erweist sich gerade im Zuge fortschreitender Miniaturisierung mit immer kleinskaligeren Schwingern eine elektronenoptische Orts-Auflösung als günstig. Bei der theoretischen Analyse des Abbildungsmechanismus liegt der Fokus auf der Untersuchung der raum-zeitlichen Dynamik der Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und der periodisch darunter hinweg schwingenden Mikrostruktur, für die erstmals ein umfängliches Modell abgeleitet werden konnte, wodurch die detaillierte Interpretation der experimentellen Ergebnisse möglich wurde. Zusätzlich spielen lokale Eigenschaften (Materialeigenschaften) des Schwingers eine Rolle. Ebenso müssen die Beiträge von Energieverlustmechanismen zur Bildgebung berücksichtigt werden. Um die bildgebenden Gleichungen explizit ableiten zu können, beschränkt sich die mathematische Analyse in dieser Arbeit auf die Annahme eines frei oszillierenden, einseitig geklemmten Schwingers ohne Wechselwirkung mit Materie, wie es im DySEM-Experiment durch die Bildgebung im Hochvakuum angenähert wird. Die aufgrund dieses Modells simulierten DySEM-Bilder stimmen mit den experimentell gewonnenen Ergebnissen qualitativ und quantitativ gut überein. N2 - The thesis presented shows the development and verification of a theory, with which the results of a newly developed measuring method (DySEM technique) can be described. The term ”DySEM” (Dynamic Scanning Electron Microscopy) denotes an experimental procedure for measuring the vibrational dynamics of a microscale oscillator using a scanning electron beam. In addition to the classical secondary electron (SE) signal, the dynamic part of the signal can be obtained using a lock-in amplifier synchronized to the excitation frequency. The DySEM technique enables the direct observation of freely vibrating structures, including several modes in the normal and torsional direction as well as their higher harmonics. Thus, this method is a tool of modal analysis of microscale structure in oscillation, which is frequently used in micro- and nanoelectromechanical systems (MEMS and NEMS) and where an optimization of the design parameters often only can be achieved by imaging the vibration. Additionally, the DySEM images contain characteristic amplitude-dependent image features that need to be understood theoretically. Thanks to the precise local definition of electron beam and to lock-in technique the vibration images exhibit high spatial resolution. Thus, in the framework of progressing miniaturization of vibrating structures an electron-optical resolution is proved to be advantageously. In this framework a new quantitative theoretical model is proposed for the interpretation of the characteristic properties of the obtained measurements. The model of imaging generating mechanism relates the experimental images to the spatio-temporal interaction between electron beam and periodically vibrating microstructure. So, for the first time the detailed interpretation of the experimental results was possible. In addition, local properties (material properties) of the micro-oscillator are important. Similarly, the contributions of energy loss mechanisms must be considered for imaging. To explicitly derive the imaging equations, the mathematical analysis is limited in this work to the adoption of a free oscillating unilaterally clamped oscillator without interaction with matter, as it is approximated in DySEM experiment by imaging in high vacuum. Simulated images show very good qualitatively and quantitatively correspondence to the experimental data. First the theoretical model of the imaging process makes it possible to use the DySEM-technique as a quantitative analysis tool. Without such an understanding of the relationship between image contrast and interaction geometry, a quantitative interpretation of the DySEM images is hardly possible. The advantage of DySEM technique is the ability to distinguish between artefacts based on the imaging process and features which carry relevant VII information (i.e. nonlinear mechanical behavior of the micro-oscillator). The analysis of the imaging of oscillating microstructures by means of scanning electron microscopy is thereby achieved in this work presented as a combination of experiment, theory and simulation. T3 - BAM Dissertationsreihe - 124 KW - Dynamische Rasterelektronenmikroskopie (DySEM) KW - Bildgebung schwingender Mikrostrukturen KW - Modalanalyse KW - Federbalken KW - Theoretisches Modell der Bildentstehung PY - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:b43-4644 SN - 978-3-9816668-3-0 VL - 124 SP - 1 EP - 134 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-464 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröter, Maria-Astrid A1 - Holschneider, M. A1 - Weimann, Christiane A1 - Sturm, Heinz T1 - Analysis of amplitude and phase patterns of vibrating cantilevers using Dynamic Scanning Electron Microscopy (DySEM) T2 - NanoMeasure 2013 CY - Warsaw, Poland DA - 2013-06-25 PY - 2013 AN - OPUS4-28747 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröter, Maria-Astrid A1 - Holzschneider, M. A1 - Weimann, Christiane A1 - Ritter, M. A1 - Sturm, Heinz T1 - Dynamic SEM image analysis of vibrating cantilevers (I) T2 - Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) 2013 CY - Regensburg, Germany DA - 2013-03-10 PY - 2013 AN - OPUS4-27866 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröter, Maria-Astrid A1 - Holschneider, M. A1 - Weimann, Christiane A1 - Ritter, M. A1 - Sturm, Heinz T1 - Dynamic SEM image analysis of vibrating cantilevers (II) T2 - Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) 2013 CY - Regensburg, Germany DA - 2013-03-10 PY - 2013 AN - OPUS4-27867 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Schröter, Maria-Astrid A1 - Holschneider, M. A1 - Sturm, Heinz T1 - Analytical and numerical analysis of imaging mechanism of dynamic scanning electron microscopy N2 - The direct observation of small oscillating structures with the help of a scanning electron beam is a new approach to study the vibrational dynamics of cantilevers and microelectromechanical systems. In the scanning electron microscope, the conventional signal of secondary electrons (SE, dc part) is separated from the signal response of the SE detector, which is correlated to the respective excitation frequency for vibration by means of a lock-in amplifier. The dynamic response is separated either into images of amplitude and phase shift or into real and imaginary parts. Spatial resolution is limited to the diameter of the electron beam. The sensitivity limit to vibrational motion is estimated to be sub-nanometer for high integration times. Due to complex imaging mechanisms, a theoretical model was developed for the interpretation of the obtained measurements, relating cantilever shapes to interaction processes consisting of incident electron beam, electron–lever interaction, emitted electrons and detector response. Conclusions drawn from this new model are compared with numerical results based on the Euler–Bernoulli equation. KW - Electron microscopy KW - Scanning force microscopy KW - Cantilever motion KW - Modes KW - Harmonics KW - Mathematical model KW - Imaging theory PY - 2012 U6 - https://doi.org/10.1088/0957-4484/23/43/435501 SN - 0957-4484 SN - 1361-6528 VL - 23 IS - 43 SP - 435501-1 - 435501-10 PB - IOP Publishing Ltd. CY - Bristol AN - OPUS4-27642 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröter, Maria-Astrid A1 - Weimann, Christiane A1 - Sturm, Heinz A1 - Holschneider, M. T1 - Towards a simplified mechanical model of insect wings T2 - Microscopy Conference CY - Kiel, Germany DA - 2011-08-28 PY - 2011 AN - OPUS4-23581 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröter, Maria-Astrid A1 - Weimann, Christiane A1 - Sturm, Heinz A1 - Holzschneider, M. T1 - Towards a deeper understanding of the dynamic properties of cantilever probes T2 - DPG 2012 CY - Berlin, Germany DA - 2012-03-25 PY - 2012 AN - OPUS4-26491 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Sturm, Heinz A1 - Schröter, Maria-Astrid A1 - Weimann, Christiane T1 - Imaging method for vibrating scanning force microscopy cantilevers for the analysis of mode shapes and nonlinear harmonic motion N2 - A specially designed scanning force microscope (SFM, atomic force microscope – AFM) was incorporated into the chamber of a commercial scanning electron microscope (SEM) to investigate vibrating SFM cantilevers at their resonance. Inherently, the spatial resolution of electron microscopy is higher than that of optical methods. In this paper we present vibration modes (eigenmodes) of two different SFM cantilevers. Their nonlinear behavior is also explored in order to depict their 2nd harmonics (twice the fundamental frequency). Imaging of the local vibration is performed by measuring the frequency- and phase-selective responses of the SE signal at different X and Y positions of the scanned electron beam. KW - Electron microscopy KW - Scanning force microscopy KW - Motion detection KW - Cantilever KW - Eigenmode KW - Harmonic KW - Nonlinearity KW - Harmonix cantilever PY - 2012 U6 - https://doi.org/10.1016/j.mee.2012.07.088 SN - 0167-9317 SN - 1873-5568 VL - 98 SP - 492 EP - 496 PB - Elsevier Science CY - Amsterdam, Netherlands AN - OPUS4-26431 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröter, Maria-Astrid A1 - Weimann, Christiane A1 - Sturm, Heinz A1 - Holzschneider, M. T1 - Analytical solutions for SE/LIA imaging experiments with vibrating microcantilevers T2 - International Conference on Micro- and Nano-Engineering (MNE) CY - Toulouse, France DA - 2012-09-16 PY - 2012 AN - OPUS4-27341 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schröter, Maria-Astrid A1 - Weimann, Christiane A1 - Sturm, Heinz A1 - Holschneider, M. T1 - Towards a deeper understanding of the dynamic properties of cantilever probes T2 - 37. Int. Conf. Micro and Nano Engineering CY - Berlin, Germany DA - 2011-09-19 PY - 2011 AN - OPUS4-23866 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -