A B
ST R
A C
T
Je
ff
e r s o nC
.D
a vi
sC H A
R
A C
T E R I Z I
N G
P A
R T
I
C
L
E S D E
P
O SI
T E
D O N T O A SU R F A C
E
U SI
N G
T
H
E
A
T
O
M
I
C
F
O R C E
M
I
C R O SC O
P
E
(
T
h
e sis
A d
vi
s o r;
D
r .P
a rk
e rR
e
i
st
,)
S
ub
-m i
c r o
n
si
z ed
p
a rt
i
cl
e sb
y
c o un
t
m
ak
e up
as
i
g
ni fi
c an t
p
o rt
i
on
of
t
h
e air
-b
o r n ep
a rti
cl
e sw
e a r e e xp
o s ed
t
o .D
et
e ct
i
o n an
d
ch
a r a ct
e riz a
t
io n
of
t
h
e s ep
a rt
ic
le s
,p
a rt
ic u
la r
l
y
a
ft
e rt
h
ey
h
a v ed
ep
o sit
ed
o nt
o a s u rf
a c e, c an
b
ed i f fi
c ult
.T h
eA
t
om i
cF
o r c eM
i
c r o s c op
e(
A F
M )
p
r od
u c e s ah i gh
r e s olu t
io n
t
op
og
r ap
h i
cim
ag
e of
a s am p l
e s u rfa c
e
t
h
at
c a n r e s olv e
d i ff
e r e n c e sin
s u rf
a c efe a
tu r e s
le s s
t
h
an
5
n a n om
et
e rs
(
nm
)
.Se
le c
t
io n
of
a s uit
ab le
s u
b
st
r at
em
at
e ri
al i
s c ri
t
ic a
l
a st
he
s c al
e of i
nte r e s
t
d
e c r e as
e s.V
a ria
t
io
n
in th
e s ub
st
r at
e ss u r
f
a c e st
r u ct
u r e ad
v e r s el
y
im
p
a ct
sth
e ab il i
t y
of
t
h
eA F
M
t
oi d
e nti
fy
an
d
m
e a s u r ep
a rt
i
cl
e s.A
n
al
y
sis o
f d
ep
o si
t
ed
s ub
-m i
c r o np
a rt
ic
le s o
f kn
ow
n si
z e o n v a ri
o u sm
at
e ri
al
sT
ab le
of
C
o nt
e nt
sP
ag
e n um b
e r sI
.I
nt
r od
u ct
io n
/
P
u
rp
o s e1
I I
.B
a ck
g
r o u nd
3
I
I I
.M
at
e ri
al
s an
d
M
eth
od
s14
IV
.R
e su
lt
s19
V
I
.D i
s c u s sio n
of
R
e su
lt
s2 2
V
I
.C
o n clu
si
o n s2 6
R
ef
e r en
c e s2 8
A p p
e nd i
c e s
A
.B
a s eL
in
eSc a
n
s2 9
B
.S
ele c
t
i
o n of S
ub
st
r at
e -0
.
4 8
urn
S
c an
s4 1
C
.S
el
e ct
i
o n of S
ub
st
r ate
-0
.
3
1
um
Sc a n s
5
3
D
.Se
le c
t
io n
of Su
b
st
r at
e -0
.2
0
um
S
c a n s6
3
E
.Se
d im
e nta
t
io n
v sD iff
u si
o nS
c an
s7 5
L I ST O F A
B
B
R E
V A
T I O
N S
a
fi
n
a
t
om i
cf
o r c em i
c ro
s c op
eC
cC
u
n ni
ng
h
am
sli p
c o r r e ct
i
o nc
m
c en
t
i m
ete r
p
d
e n sit
y
d
pd i
am
et
e r of p
a rti
cle
D
bd i fi
u sio n
c o ef fi
cie n
t
g
/
cm
^g
r am p
e r c ub ic
c e nt
i
m
et
e rk
eB
ol
tz
m
a nn
's c o n s
ta
n
t
1p
m
li
t
e rp
e rm
i
nu t
em l
m i ll i l i
t
e rN
n um
b
e r of da
t
ap
o
in
t
sn
m
n an
om
et
e r sP
id
e n si
t y
of fl
u
i d
m
e
d i
u
m
p
sl
p
ol
y
st
y
r e n el
at
e xX
r ela
x
at
i
o nt
i
m
er a
m
e a n r o ug h
n
e s sr
m
s r o ot
m
e an
sq
vi a r es
t
p
st
a nd
a rd
t
em
p
e r at
u r e a nd p
r e s s u r eu
m
m
i
c r om
et
e r st
t
em
p
e r at
u r e(
K
)
U
v elo c
i
t y
U
tt
e rm i
n
al
v el
o cit
y
\
i vis c o s
i
t y
X
g
a sfr
e em
e anp
at
h
Z
cp c e nt
e rp l
a n eZ
v
alu e
L
I
S T O F
T
A B L
E
S
T
A
B
L
E 1
:P
a rt
i
cl
eP
r op
e rt
i
e sf
o rU
nit
-D
e n si
t y
P
a rt
i
cl
e sxi
n
d
e rS
t
a nd
a rd C
o nd it
i
o n sT
A
B L E
2
:D i
sp
l
a c em
e nt
of St
a nd
a rd D
e n sit
y
S
p
h
e r e s at
S T P
d
u e t o
B
r ow
ni
an
M
ot
i
o n a nd G
r a vi
t y
(
i
n o n e s e c o nd
)
T
A
B
L
E 3
:S
ett
l i
ng T
i
m
ef
o rSt
a nd
a rd D
e n si
t y P
a rti
cl
et
oT
r a v el fr
om
th
eT
op
of
t
h
eC h
am b
e rt
ot
h
eF l
o o rb
y
G
r a vi
t
at
i
o n al S
et t
l i
ng
P
ag
e6
18
T A
B
L E 4
:M
e as
u r ed R
o ug h
n
e s sV
al
u e sf
o rE
a ch T
a rg
et
M
at
e ria
l
2 0
t
I
.I N T
R
O D U C T I
O
N / P U
R
P
O
S E
S
ub
-m i
c r on
si
z ed
p
a rt
i
cl
e sb
y
c o u nt
m
ak
e up
a si
g
ni fi
c a nt
p
o rti
o n of
t
h
e ai
r-b
o r n ep
a rti
cl
e sw
e a r e e xp
o s ed
t
o , a nd
a s s u ch
, a r e s u sp
e ct
ed
t
op
o s e ap
o s si b l
eh
e al
t
h
ri
sk
(
S
t
o n e a nd
D
o n al d
s o n,1 2
-1 4
)
.Y
et
,
b
e c a u s e of
t
h
ei
r sm
al l
si
z e,th
ei
r c o nt
ri b
ut
i
o nt
ot
h
et
ota
l m
a s s of
p
a rt
i
c ul
at
ei
s al m
o st
n eg
l i
g
i b l
e.D
et
e ct
i
o n a nd
ch
a r a ct
e ri
z at
i
o n of
th
e s ep
a rti
cl
e s,p
a rt
i
c ul
a rl
y
aft
e rt
h
ey h
a v ed
ep
o sit
ed
o nt
o a s u rf
a c e, c a nb
ed
i f fi
c ul
t
.S
ub
-m i
c r o n si
z ed
p
a rt
i
cl
e s a r eg
e n e r al l
y t
o o sm
al l
t
ob
e e a si l
y d
et
e ct
ed
op
t
i
c al l
y
.I
n st
r um
e nt
ss u c
h
a st
h
eS
c a nn
i
ng
E
l
e ct
r o nM
i
c r o s c op
e(
S
E
M )
r eq
ui
r e s ub
st
a nti
al
s am
p l
ep
r ep
a r ati
o np
ri
o
rt
o a n al
y
si
s a nd
si g
ni fi
c an t
e n vi
r o nm
e nt
al
s up p
o rt t
o op
e r at
e.T h
e s am
p
l
em
u st
b
ec
o
l l
e ct
ed
o n a sp
e ci
al
s ub
st
r at
e a nd
co
at
ed w
i
t
h
a c o nd
u cti
v em
at
e ri
al
;
t
h
e s am
p l
ei
sth
e np
l
a c ed
u nd
e r v a c u um
a nd
s c a nn
ed
b
y
ah i
g
h
e n e rg y
el
e ct
r on
b
e am
.E
a ch
st
ep
al
o ng
t
h
ew
ay
c a n al
t
e r o rd
e st
r oy
t
h
ep
a rt
i
cl
e s.I
nd
i
r e ct
m
eth
od
s of
a n al y
si
s s u ch
a sfl
u o r e s c e n c eo r
i
o n a n al y
si
s, u si
ng
sp
e ci
al l
y p
r ep
a r ed
a e r o s ol
s, c a nd
et
e rm i
n et
h
et
ot
al
p
a rt
i
c ul
at
em
a s sd
ep
o sit
ed
o nt
o a s u rf
a c e,b
ut
t
h
ey
p
r o vi
d
e n oi
nd i
c at
i
o n of
t
h
ep
a rti
cl
e s si
z
e.I
n ad d it
i
o n,t
h
e a n al y
si
sp
r o c e s sd
e st
r oy
st
h
e s am
p l
e.T h
eA
t
om i
cF
o r c eM
i
c r o s c op
e(
A F
M )
p
r od
u c e s ah i
g
h
r e s ol
ut
i
o nt
op
og
r ap
h i
ci m
ag
e of
as a
m
p
l
e s i u-f
a c e.T h
eA F
M
h
a sth
e c ap
ab i l i
t y
of
r e s ol
vi
ng
s u rf
a c ef
e at u
r e s st
r u ct
u r ew h
e r et
h
ed i f f
e r en
c e s a r el
es
sth
an
5
n a n om
et
e r s(
nm
)
.S
am
p l
e s r eq
ui
r e n o sp
e ci
al
p
r ep
a r at
i
o n.T h
ey m
a
y
b
e c ol le
ct
ed
o n n e a rl y
a ny
m
at
e ri
al
an
d
a r e sc an n
ed
un
d
e r am b i
e nt
a
t
m
o sp
h
e ri
c c o nd it
i
o
n s(
P
r at
e r et
al
,1
-2
)
.
T
h
e s am
p
l
ei
s un
af f
e ct
ed b
y
a n al
y
si
s, a
n
d
c an
•
s et
up i
n afi
el d l
ab
o ra
t
o ry
.
T h
em i
c r o s c op
e a s s em b l y
c a nb
eh
a nd
c a r ri
ed
a nd i
s e a si l y
s u
p p
o rt
ed b y
a c om p
ut
e r sy
st
em
si m i l
a rt
o ah
om
ep
e r s o n al
c om p
ut
e r .T h
ef
o r c e sw
hi
ch
ef f
e ct
t
h
ed
ep
o si
t
i
o n of
s ub
-m i
c r o np
a rt
i
cl
e s o nto
a s u rf
a c e ch
a ng
ei
nr e
l
at
i
v eim
p
o rt
a n c e a st
h
ep
a rt
i
cl
e sb
e c om
e sm
all
e rF
o rl
a rg
e rp
a rt
i
cl
e si
n a st
i l l
e n v
i
r o nm
e nt
,g
r a vi
t
at
i
o n al
s et t
l
i
ng
t
e nd
st
ot
ak
e ap
r om i
n e nt
r ol
e.A
st
h
ed
i
am
et
e r of
t
h
ep
a rti
cl
ed
e c r e a s e s,d i f f
u si
o n sta r
t
sto
h
a v e ag
r e ate r
i
nf l
u e n c e o nt
h
ep
a rt
i
cl
e.T h
e ob
j
e ct
of
t
h i
s st
ud
y
w
a st
o e v al
u at
et
h
e
u s e of
t
h
eA T
M
t
oi d
e nt
i f
y
s ub
-m
i
c r
o
n si
z ed
p
a rt
i
cl
e st
h
at
h
a v ed
ep
o si
t
ed
o nt
o s am
p l
e c ol l
e ct
i
o n s ub
str a
t
e s, a nd
t
o e v al
u ate
i
t
se
f f
e ct
i
v e n e ss
a s a n a n al
y
t
i
c al
t
o ol f
o r c o u nt
i
ng
a nd
si
zi
ng
s ub
-m i
c r o n
p
a rt
i
cl
e s o n as u r
f
a c e.A
c om
p
a ni
o nt
ot
h i
s ob
j
e ct
i
v ew
a st
od
ete r
m i
n e, u s
i
ng
t
h
eA F
M
,w
h
et
h
e rt
h
ep
r ed
om i
n at
ef
o r c e(
d i ff
u si
o n o r s ed im
e nt
ati
o n)
a ct
i
ng
o n a s ub
-m i
c r o np
a rt
i
cl
e c a nb
e#
I I
.B
A
C
K
G R O
U
N
D
A
.A
e r o s ol D
ep
o si t i
o nM
e ch
a ni
sm
sA
e r o s ol p
a rt
i
cle s
iz e
, sh
ap
e,d
e n si
t
y
, a nd
h
y g
r o s c op
ic
i
t
y
(
t
e nd
e n cy
t
o ab
s o rb
w
at
e r v ap
o r)
d
et
e rm i
n et
o al
a rg
e e xt
e nt
h
ow
th
ep
a rt
ic
l
e sb
eh
a v ein
ai
r a nd d
ep
o sit
o n a s u rf
a c e.I
nt
h i
s s e ct
i
o nth
ep
ri m
a ry
d
ep
o si
t
i
o nm
e ch
a nis
m
s of
s ed
i m
e nt
at
io n
a nd d i f f u
si
o n a r ed
e s c ri b
ed
.S
ed
i
m
e nt
at
i
o n r ef
e r st
om
o v em
e nt
of
a n a e r o s ol
p
a rt
i
cl
et
h
r o ug
h
ag
a s e o u sm
edi
um
u nd
e rt
h
ei
nfl
u e n c e of
g
r a vi
t
y
.T h
e r at
e of
s et t
l
in
g
w i
l l
d
ep
e nd
o nt
h
ep
a rt
i
cl
e 's s
iz e
, sh
ap
e,m
a s s, a nd
o nt
h
e ai
rd
e n si
t
y
a nd
vi
s c o si
t
y
A
n ai
rb
o r n ep
a rt
i
cl
eis s u
b
j
e ct
ed
t
o ag
r a vi
t
at
i
o n al
f
o r c e an
d w
i l l
a c c ele r a
t
e a c c o rd
i
ng
t
oN
ew
t
o n 'sS
e c o nd L
aw
.T
h
ea c c e
l
e r at
i
o nf
o r c ei
sg
iv e n
b y
t
h
ep
r od
u ct
of
t
h
ep
a rt
ic
l
em
a s s a nd
t
h
eg
r a vi
t
at
i
o n al
c o n s
t
a nt
g
, a nd
f
o r a sp
h
e r e of
d
i
am
et
e rd
p a nd d
e n si
t
y p
i
s(W
i
l l
i
k
e an
d
B
a r o n3 2
)
O
p p
o sin
g
t
h
i
sf
o r c ei
st
h
ed
r ag
f
o r c e o nt
h
ep
a rt
ic
l
ed
u et
og
a s vi
s c o si
t
y
.F
o rl
am i
n a rfl
ow
,t
h
ed
r ag
f
o r c e o n a sp
h
eri
c al
p
a rt
i
cl
em
o vin
g
w i
t
h
v elo c
i
t
y
U
t
h
r o ug
h
am
ed
i
um
h
a vin
g
a vi
s c o si
t
y |
^i
sg
i
v e nb y
S
t
ok
e s'L
aw
(
R
ei
st
5 9
)
F
,=
3
7r
/
/
d
p
U
w h
e r ej
j,=
1
.
8
4
xl
O
'"*g/
cm
-s e c at
ST P
(
1
at
m
,2 0
°C
)
.Si
n c et
h
ep
a rt
i
cle
d is
p l
a c e si
t
s ow
n
•
f
o r c e, n am
e
l y
(
H i
nd
s4
6
)
^
TT
d
pw
h
e r ep
fi
st
h
ed
e n sit
y
of
t
h
ef l
ui d m
ed i
um
(
f
o r ai
r,
j
[>f=
1
.
2 9
x1
0
'^g /
cm
^a
t
S T
P
)
.T
h
eg
r a vi
t
at
i
o n al
an
d
b
u oy
a nt
f
o r c e s a r e c o n st
a nt
,b
ut t
h
ed
r ag f
o r c ei
n c r e a s e sl
i
n e a rl
y
w i
t
h
p
a rt
i
cl
e v el
o ci
t
y
, s ot
h
at
at
s om
ep
oi
nt t
h
e s um
of
t
h
eb
u oy
a nt
a nd f l
ui
d d
r ag f
o r c e se x a c
t l y
eq
u al
st
h
eg
r a vit
ati
o n al f
o r c e,t
h
e a c c el
e r at
i
o nb
e c om
e s z e r o, a nd
t
h
ep
a rti
cl
ea
t t
ai
n s a c o n st
a nt
v el
o ci
t
y
T
h i
st
e rm i
n al
s et t
l i
ng
v el
o cit
y
i
s ob
t
ai
n ed
b
y
s et t
i
ng
t
h
e s um
o
f
t
h
ef
o r c e s eq
u al
t
o z e r o .N
o rm
al l
y t
h
eb
u oy
a nt
f
o r c ei
s n eg
l i
g
i b l
e c om p
a r ed w i
t
h
t
h
eg
r a vi
t
at
i
o n al
f
o r c e.M
ak i
ng
th i
s a s s um
p
t
i
o nth
et
e rm i
n al
s et t
l
i
ng
v el
o ci
t
y
e xp
r e s si
o nb
e c om
e s(
W
i l l i k
e a nd
B
a r o n3 2
)
:w h
e r eT
i
sth
ep
a rt
i
cl
e's " r el
a x at
i
o nt
i
m
e" an
d h
a s u nit
s of
s e c o nd
s.A
st
h
ep
a rt
i
cl
ed i
am
et
e rb
e c om
e s sm
al
l
e r, a n ad d i
ti
o n al f
a ct
o rm
u st
b
ei
n cl
ud
ed i
nS
t
ok
e s'
L
aw
t
ot
ak
ea c c o u n
t
of
t
h
e "sl i
p
" of
t
h
ep
a rt
i
cl
e.T h i
sf
a ct
o ri
sk
n ow
n a sth
eC
u n ni
ng
h
am
sl i p
c o r r e c
t
i
o n ,C
c, a nd i
sgi
v e nb
y
t
h
e e xp
r e s si
o n(
H
i
nd
s4
9
)
a
=i
4
2
.
3 4
+
1
.0 5
e xp
-
0
.
3 9
f
w h
e r ed
pi
st
h
ep
a rt
i
cl
ed i
am
et
e ri
nm i
c r om
et
e r s a nd A i
sth
eg
a sfr
e em
e a np
at
h
.T h i
se x
p
re s
si
o ni
s ap
p
r op
ri
at
ef
o r al l
p
a rt
i
cl
e si
nl
am i
n
a rfl
ow
.T
h
eti m
e r eq
ui
r ed f
o r ap
a rti
cl
ei
nit
i
al l
y
at
r e st t
o r e a ch U
ji
s ap p
r o xi
m
at
el y
7
T
(
R
ei
s t
8 2
)
,w h i
c
h
r an
g
e sfr
o
m
1 0
"^t
o10
'^
s
e cf
o rp
a rt
i
cl
e si
nt
h
e r a ng
e
of 0
.1
t
o10
u
m
T
h
et
e rm i
n al
v el
o ci
t
y
b
e c om
e s(
H i
nd
s4
9
)
D
i f f
u si
o n of
a e r o s ol
p
a rt
i
cl
e si
n
ag
a sm
ed
i
um
r e s ul
t
sfr
om
t
h
eb
om b
a rd
ed
c ol l i
si
o n sw i
t
h
i
nd i
vi d
u al g
a sm
ol
e c ul
e st
h
at
a r ei
nB
r ow
ni
a nm
ot
i
o n .T h
i
s c a u s e st
h
ep
a rt
i
cl
e st
ou n
d
e rg
o r an
d
om
d
i
sp
l
a c em
e nt
s.T h
ep
a rt
i
cl
ep
a r am
et
e rt
h
at
d
e s c ri b
e st
h i
sp
r o c e s si
st
h
ep
a rt
i
cl
ed i f f
u si
vi
t
y
o rd i ff
u si
o n c o ef fi
ci
e nt
,D
b.A
n
e xp
r e s si
o nf
o rp
a rt
i
cl
ed
i
f f
u si
vi
t
y
i
sg
i
v en
b
y
t
h
eS
t
ok
e s-E i
n st
ei
n eq
u at
i
o n :(
H i
n
d
s1 5 2
)
s
3
;t
/
/
d
p
w h
e r ek
si
sB
ol
t
zm
a nn
's c o n st
a nt
(
1
.3 8
x1
0
"' ^d
y
n
cm / K
)
a nd
T
i
s ab
s ol
ut
et
em
p
e r at
u r e(
K
)
.T
h
ed i f f
u si
o n c o ef fi
ci
e nt
i
si
n v e r s el y p
r op
o rt
i
o n al
t
ot
h
ep
a rt
i
cl
e 's
g
e om
et
ri
c si
z ea n
d i
si
nd
ep
e nd
e nt
of
p
a rt
i
cl
ed
e n si
t
y
.T
h
e un
i
t
s of
D
b a r e cm /
s e c.N
et
m
ot
i
o nb y
d i f f
u si
o n o c c u r sw
h
e n ap
a rt
i
cl
e c o n c e nt
r at
i
on
g
r ad i
e nt
e xi
st
s.P
i
ck
's
L
aw
of
D
i f f
u si
o ns
t
at
e st
h
at t
h
efl
u x of
p
a rt
i
cl
e s,J
(p
a r
t
i
cl
e sp
e r u ni
t
c r o s s s e ct
i
o n al
a r e ap
e r u ni
t t
i
m
e)
,i
st
h
ep
r od
u ct
of
t
h
ed i f f
u
si
vi
t
y
,D
, a nd
t
h
e c o n c en t
r at
i
on
g
r ad i
e nt
,d
c/
d
x .D i f f
u si
v et
r a n sp
o rt
i
sf
a v o r ed b
y
sm
al l
p
a rt
i
cl
ed i
am
et
e r,l
a rg
e c o n c e nt
r at
i
o nd i f f
e r en
c e s, a nd
sh
o rt
d i
st
a n c e s o v e rw h i
ch d i f f
u si
o n o c c u r s.(
H i
nd
s1 5 1
-
1
5 3
)
T
ab l
e1
s um m
ari
z es t
h
ep
ro
p
e rt
i
es
of
ai
rb
o r n ep
a rt
i
cl
e st
h
a
t
w
e r e u se
d f
o r
t
h i
se x
p
eri
m
e nt
.T h
e v al
u e s a r ef
o r st
a nd
a rd d
e n si
t
y p
art
i
cl
e s(
1
.0 g /
cm
^)
at
st
a nd
a rd
a
t
m
o sp h
eri
c c o nd i
t
i
o n s(
1
at
m
a nd 2 0
°C
)
.T h
e a ct
u al p
a rt
i
cl
ed
e n si
t
y
a nd
c o nd i
t
i
o n sT A B L E 1 P
a rt
i
cl
eP
r op
e rt
i
e sf
o rU
ni
t
-D
e n s
i
t
y
P
a rt
i
cl
e s u nd
e rS
t
a nd
a rd
C
o nd i
t
i
o n sP
a rt
i
cl
eD
i
am
et
e r(
um
)
S
l
i
p
C
o r r e ct
i
o nF
a ct
o rC
oS
et t
l
i
ng
V
el
o ci
t
y
(
cm
/
s)
D i
f
f
u si
o nC
o eff
i ci
e nt
(
cm
^/
s)
1
.0
1
.1 5
^
3
.4
8
x1
0
7
J2
.7 4
x1 0
"0
4
8
1
.3 1 (
§
^
9
.
9
1
x1
0
"6
.2 4
x1 0
^
^
0
.3 1
1
.5 5 4
^4
.2 1
x1
0
T
-1
.2 3
x1
0
0 2 0
1
.8 7
S
,
2
.
2 6
x1
0
^
2
.2 3
x1 0
'
^
0
.10
2
.9
2
8
;
8 8
2
x1
0
^
6
.9
4
x1 0
"'0
.0
4
9
5
.1 2
0
3 8 5
x1
0
2
.4 3
x1 0
^
U
si
ng
t
h
ed i f
f
u si
o n c o ef fi
ci
e nt
,t
h
e r o ot
m
e a n sq
u a r ed
i
sp
l
a c em
e nt
(
X
rms)
of
ap
a rt
i
cl
eb
y
B
r ow
ni
a nm
ot
i
o n al
o ng
ag
i
v e n a xi
s o v e r ag
i
v e np
e ri
od
of
t
i m
ei
s(
H i
nd
s1 5 7
)
T
h
e n et
d i
sp l
a c em
e nt
of
t
h
e v a ri
o u sp
a rt
i
cl
ed
i
am
et
e r st
h
at
w
e r e u s ed
f
o rt
h i
s e xp
e ri
m
e nt
d
u et
oB
r ow
ni
a nM
ot
i
o n a nd g
r a vi
t
at
i
o n al f
o r c e s(
te r
m i
n al
s et
t
l i
ng
v el
o ci
t
y
xt
i m
e)
f
o rT
A
B L E 2
D
i
sp
la c e
m
e nt
of
S
t
an
d
ard D
ensit
y S p
h
ere s at
S
T P
d
u
et
oB
r ow
ni
an
M
ot
i
on
a
n
d G
r a vi
t
y
(
in
o n e s e c on
d
)
P
a rt
ic
le
D i
am
et
e r(
urn
)
r
m
sB
r ow
nia n
D i
sp
l
a c em
en t
(
X
bm)
(
cm
)
G
r av
i
t
at
i
o n al
Se
t t
l i
ng
(
X
gr a v)
(
cm
)
X
flM/X
gr a v1
.0
7
.3 5
xl O
3
.
4 8
xl
O
-0
.2
1
0
.4 8
1
.1
2
x1
0
"
1
.5 7
x10
-'9
.9 1
xl
O
1
.
1
0
.3
1
:
^
4
.2 1
xl
O
3
.
7
0
.2 0
2
.1
1
x1
0
2
.
2 6
x1
0
-'9
.3
0
.1
0
3
.7 3
xl
O
"'
6
.9 7
x1
0
-'8
.8 2
xl O
-4
2
.3
0
.0
4
9
3
.8 5
xl O
-18
1
.0
T h
e r at
io
of
B
r ow
nia
n
t
og
r a vi
t
at
io n a
l d i
sp l
a c em
e nt
(
X
sM/
X
gr a v)
g
i
v e s an
i
nd ic a
t
i
o n of
t
h
eo
f
t
h
efo r c e s e
ff
e ct
i
n
g
d i
sp
la c e
m
e nt
.A
st
h
ed i
am
et
e r of
a
p
a rt
ic
le
d
e c r e a s e s, e sp
e cia
ll y
b
e
lo
w 0
.10
um
,
t
h
eim p
o
rt
a n c e of d i S Us
io
n
an
d B
r ow
n
i
a nM
ot
io n
t
ot
h
ed i
sp
la c e
m
en
t
of
a
p
a rt
ic
le
b
e c om
e sm
o r e si
g
ni fi
c a nt
.B
.A
F
M
O p
e r at
io n
T
h
eD i
m
e n sio
n
3 10 0 A
t
om i
cF
o r ce
M
i
c r
o s c op
e(
A
F
M )
p
r od
u
c e sh i
g
h
-r e s olu
t
io
n
,t
hr e e
-d i
m
e n sio n a
l i m
a
g
e
sb y
sc
an n
i
n
g
a s
h
a r
p
p
r o
b
e
o v e
rt
he
sa
m
p
le
su
rf
a c e
.T he
p
r ob
ei
s
p
art
o
f
af le x
i b l
e c an
t
i le v e r
w
h
i
ch
i
sm
o u n
t
e
d
on
on e e
nd
of
a cy
l i
nd
ri
c al
p
ie z o e
l
e ct
ric
t
ub
e.T
h
ep i
e z ot
ub
ei
s rig i d l y
m
o un
t
ed
n e a r
t
h
e
t
o
p
o
f
t
h
e
m i
c r o s c op
e.V
ol
t
ag
e s ap p l i
ed
t
ot
h
eX
a nd Y
ele c
t
r od
e s o nt
h
ep i
e z o el
e ct
ric
t
ub
e
d
e
fi
ec
t t
h
et
ub
eh
o riz o n
t
al l
y t
op
r od
u c e ap
r ec
i
s e
r a st
e
rs c a n
o v e rt
h
e s am
p l
e
s u rf
ac e
.T h
e v e
rt
ic
a
l h
ei g h
t
of
t
h
ep
r ob
ei
s c o nt
r oll
ed
l
e ad
s c r ew
t
r an
sl
at
es
a sl i d
et
ow h i
ch
t
h
e s am p l
eis a
t t
a ch
ed
.A
s ep
a r at
em
ot
o rd
riv e
a
l l
ow
st
h
eh
ei
g
h
t
of
th
em i
c r o s c op
e a nd
p
r ob
et
ob
e ad
j
u st
ed
r el
at
iv e
t
ot
h
e s am
p
l
es u r
f
a c e .1
.M
od
e s of
O
p
e r at
i
o n :T
ap p i
ng
o rC
o nt
a ct
Su r
f
a c et
op
og
r ap
h
y
of
a s am
p
l
em
ay
b
e e v alu a
t
ed
b
y
t
h
eA
F
M
u si
ng
ei
t
h
e r c o nt
a ct
o rT
ap p
i
ng
M
od
e s(
T
ap p
in
g
M
od
ei
s at
r ad
em
a rk
of
D
i
g
i
t
al
I
n st
r um
e nt
s)
of
op
e r at
i
o n .I
nc o n
t
a ct
m
od
eA
F
M
,t
h
ep
r ob
et
i
p
i
sp
ul l
ed
a c r o s st
h
e s u rf
a c e an
d
t
h
e r e s ul
t
in
g
im
ag
ei
s at
op
o
g
r ap h i
c al m
ap
of
t
h
e s u rf
a c e of
t
h
e s am
p
l
e.T
h
ed
r aw b
a ck w i
t
h
t
h i
sm
et
h
od i
st
h
at
t
h
ed
r ag
g
i
ng
m
ot
io n
of
t
h
ep
r ob
et
i
p
, c om b i
n ed w i
t
h
adh
e siv e
f
o r c e sb
et
w
e e nt
h
et
i
p
a nd
t
h
e s u rf
a c e, c a n c a u s e s ub
st
an t
i
al d
am
ag
et
ob
ot
h
s am
p
l
e a nd
p
r ob
e a nd
c r e at
e a rt
i f
a ct
sin
im
ag
ed
at
a.U
nd
e r am
b i
e nt
air c o n
d i
t
io n s
, s u rf
a c e s a r e c o v e r ed b
y
al
ay
e r of
ad
s o rb
ed
g
a s e s(
c o nd
e n s ed w
at
e r v ap
o r a nd
ot
h
e r c o nt
am
in a n
t
s)
w
h
i
ch
i
st
y p
i
c al l
y
s e v e r al
n a n om
et
e r st
h i
ck
.W
h
e nt
h
e s c a nn
i
ng
t
i
p
t
o u ch
e st
h i
sl
ay
e r, c ap
i l l
a ry
a ct
i
o n c a u s e s am
e ni
s c u st
of
o rm
an
d
s u rf
a c et
e n si
o np
ul l
sth
e c a nt
i
l
e v e rd
ow
nin
t
ot
h
el
ay
e r.T
r ap p
ed
e
l
e ct
r o st
at
i
c ch
a rg
e s o nt
h
et
i
p
a nd
s am
p
le
c an
c o nt
ri b
ut
e ad d i
t
i
o n al
ad h
e siv e
f
o r c e s.T h
e s ed
ow
nw
a rd f
o r c e si
n c r e a s et
h
eo
v e r al l f
o r c e o nt
h
e s am p l
e a nd
,w
h
e n c om b i
n ed
w
i
t
h l
at
e r al
sh
e a rf
o r c e s c a u s ed b
y t
h
e s c an n
i
ng m
ot
io n
, c a nd i
st
o rt
m
e a s u r em
e nt
d
at
aa n
d
c a u s e s e v e r ed
am
ag
et
ot
h
e s am p l
e,i
n clu
d i
n
g
m
o v em
e nt
o rt
e a rin
g
of
s u rf
a c eT
ap
p
i
n
g
M
od
e al l
ow
sh
i g
h
-r e s ol
ut
io n
t
op
og
r ap
h ic
i m
ag i
ng
of
s am
p
l
e s u rf
a c e st
h
at
a r ee a s
i
l y
d
am
ag
ed
,lo o s e
l
y
h
el d
t
ot
h
eir s u
b
st
r at
e, o r ot
h
e rw
i
s ed i ff i
c ul
t t
oi
m
ag
e.S
p
e ci fi
c al l
y
,T
ap p i
ng
M
od
e o v e r c om
e sp
r ob
l
em
s a s s o cia
t
ed w i
t
h fi i
ct
i
o n, ad h
e si
o n, an
d
e
l
e ct
r o st
at
i
cf
o r c e s.T
ap p
in
g
M
od
ei m
ag
in
g
al
t
e r n at
el
y p
l
a c e st
h
ep
r ob
et
i
p
i
n c o nt
a ct
w
i
t
h
t
h
e s u rf
a c et
op
r o vi d
ehi
g
h
r e s ol
ut
i
o n a nd
t
h
e nl i ft in
g
t
h
et
i
p
off
t
h
e s u rf
a c et
o a v oi d dr a
g
g
i
ng
t
h
et
i
p
a c r o s s
t
h
e s u rf
a c e.T
ap p
i
ng
M
od
ei m
ag
i
ng
is
im
p l
em
e nt
ed i
n am
b
i
e nt
ai
rb
y
o s ci l l
at
i
ng
t
h
e c a nt
i le v e r
a s s em b l
y
at
o r n e a rt
h
e c an t
i le v e r
's r e s o n a nt
f
r eq
u e n cy
u si
ng
ap
ie z o e
l
e ct
ric
c r
y
st
al
.T h
ep
i
e z om
ot
i
o n c a u s e st
h
e c an t
i l
e v e rt
o o s ci
l
la
t
e at
ah
i
g h
am
p
l i
tu
d
e(
t
h
e "fr
e e
a
i
r" am
p
l i
t
ud
e,t y
p i
c al l
y g
r e at
e rt
h
a n2 0
nm
)
w h
en
t
h
et
i p i
s n ot
i
n c o nt
a ct
w i
t
h
t
h
es u r
f
a c e.T
h
e o s ci l l
at
i
n
g
ti
p
is
t
h
e nm
o v ed
to
w
a rd
th
e s u rf
a c e u nti l i
t
b
eg
i
n st
ol i
g
h
t
l
y
t
o u ch
, o r"
t
ap
,"
t
h
e s u rf
a c e.D
u
ri
ng
s c a nn
i
ng
,t
h
e v e rt
i
c al l
y
o s ci
l
la
t
in
g
t
i
p
al
t
e r n at
el
y
c o n
t
a ct
st
h
e s u rf
a c e a nd l i f t
s of f
,g
e n e r al l
y
at
af
r eq
u e n cy
of
5
0
,0 0 0
t
o50
0
,0
0 0
cy
cl
e sp
e rs e c o n
d
.A
st
h
e o s ci l l
at
in
g
c an t
i l
e v e rb
eg i
n st
oin
t
e rm
i
t t
e nt
l y
c o nt
a ct t
h
e s u rf
a c e,
t
h
ec a n
t
i le v e r
o s ci l l
ati
o nis n e c e s s a r
i l
y
r edu c e
d d
u et
o e n e rgy
l
o s s c a u s ed b
y t
h
et
i
p
c o n
t
a ct
i
ng
t
h
e s u rf
a c e.T h
e r ed
u ct
i
o nin
o s ci l l
at
i
o n am
p
l i
t
ud
ei
s u s ed
t
oi d
e nt
i f
y
a nd
m
e a s u r e s u rf
a c ef
e at
u r e s.(
P
r at
e r et
al
,1
-4
F
e ed b
a ck
L
o op
M
ai
ntai
n sC
o n sta ntO
s ci Ua
tio
nA m
p l i
tud
eD
ete cto rE l
e ctr o nic s
M
e a s i u r e sR M
Sof
a t npl
iti Kic si gn alP h
otod
io
d
eI
>
e ct
orL
a s e rN
a n oS
c op
cC
on
t
r ol l
e rE l
ec
t
r on
i
c
s'
l
"^
^
'
S
c a n n e rC
a nti
l
e v e r&
T
ip
S
am
p
l
eF I
G U R E
1
.S
ch
em
at
i
c of
m
aj
o r c om p
o n e nt
s of
t
h
eA F
M
sh
ow i
n
g
f
e edb
a ck
l
o op
f
o rT
ap p
i
ng
M
od
e op
e r at
i
o n .D
u ri
n
g T
ap p i
n
g
M
od
e op
e r at
i
o n ,F i g
u r e1
,t
h
e c a nt
i l
e v e r o s cil l
at
i
o n am
p l i
t
ud
ei
sm
ai
n
t
ai
n ed
c o n st
an
t
b y
af
e edb
a ck l
o op
.S
el
e ct
i
o n of
t
h
e op
t
i m
al
o s cil l
at
i
o nfr
eq
u e n cy
i
ss o
ft w
a r e-a s si
st
ed
, a n
d
t
h
ef
o r c e o nt
h
e s am
p
l
ei
s a ut
om
at
i
c al l
y
s et
a nd m
ai
n
t
ai
n
ed
at t
h
el
ow
e st
p
o s si b l
el
e v el
.W
h
en
t
h
et
i
p
p
a s s e s o v e r ab
um
p
i
nt
h
es
u rf
ac
e,
t
h
e c a nt
il
e v e rh
a sl
e s s r o om
t
o o s ci ll
at
e an
d
t
h
e am
p
l i
t
ud
e of
o s ci l l
at
i
o nd
e c r e a s e s.C
o n v e r s el
y
,w h
en
t
h
et
i
p p
a s s e s o v e r ad
ep
r e s si
o n,t
h
e c an
t
i l
e v e rh
a sm
o r e r o om
t
oo
s cil l
at
e an
d
t
h
e am
p
li
t
u
d
ei
n
cr e a
s es
(
ap p
r oa
ch i
n
g
t
h
em
a xim
um
fr
e e ai
r aun
p
l i
t
ud
e)
.T h
e o s ci ll
at
i
o n am p li
t
u
d
e of
t
h
et
i p i
sm
e a s u r ed b
y
t
h
ed
et
e ct
o r a nd i
np
ut t
ot
h
e c o nt
r oll
e r el
e ct
r o ni
c s.T h
ed i
g
i
t
al
f
e ed b
a ck l
o op
t
h
e n ad
j
u st
st
h
et
i
p
/
s am
p l
e s ep
a r at
i
o nt
om
ai
nt
ai
n a c o n st
an
t
am
p
l i
t
u
d
e a nd
f
o r c e on
t
h
e s am
p
l
e.T
ap
p i
ng
M
od
ep
r e v e nt
st
h
et
i
p
fr
om
st
i
ck i
ng
t
ot
h
e s u rf
a c e a nd
c
a u
si
n
g d
am
ag
ed
u ri
n
g
s ca
n ni
n
g
.W
h
en t
h
et
i p
c on
t
a ct
s
t
h
es
u rf
a c e,i
t
h
a s s uffi
ci
en
t
2
.S
c a nR
e s ul t
sS
u rf
a c ed
at
afr
o
m
s c a n sm
ay
b
ep
r e s e nt
ed i
n a n um
b
e r of f
o rm
at
sf
o r e v al
u at
i
o
n.(
D
i
g
i
ta
l
In s
t
r um
e nt
s,N
a n oS
c op
eC
om
m
an
d
R
ef
e r e n c eM
a n u al
,12
-2 0
)
,T
op
V i
ew
:d i
sp l
ay
st
h
e s c a nd
at
afr
om
at
op
-d
ow
np
e r sp
e ct
i
v e.X
a nd
Y
c o o r
d i
n at
ei
nf
o rm
at
i
on
i
si
nt
h
ep l
a n e of
t
h
ed i
sp
l
ay
, a nd h
ei gh
t
i
nf
o rm
at
i
o n(
Z
c o o r
d i
n ate)
i
s r ep
r e s en t
ed b
y t
h
e c ol
o r at
ag
i
v
en
p
oi
nt
.T
h
ed
at
a s c al
e v al
u e an
d
d i
sp
l
ay
c ol
o r sm
ay
b
e al
t
e r ed
aft
e r a s c an
i
s c om
p
l
et
ed
t
oh i
g
h l i gh
t
ap
a rt
i
c ul
a rs u r
f
a c ef
e atu r e o
f i
nt
e r e st
.S
u rf
a c eP l
ot
: s c a nd
ata
i
sdi
sp
l
ay
ed w i
t
h
c ol
o r-c od
ed h
ei
g
h
t
i
nf
o rm
at
i
o ni
n at
h
r e e-d i m
e n s
i
o n al
, ob l i
q
u ep
e r sp
e ct
i
v e.T h
e vi
ew i
ng
a ng
l
e an
d i l l
um i
n at
i
o n a ng
l
ef
o ra
m
od
el
ed l i
g
h
t
s o u r c e a r e u s e r s el
e ct
ab l
eto
h
elp
d i f f
e r e nt
i
ate
b
et
w
e e na
d
j
a c e nt
st
r u ctu r e s
.S
e ct
i
o nA
n al y
si
s : at
op
vi
ew i
m
ag
e of
t
h
e s c a nd
at
ai
sd i
sp
l
ay
ed
, up
o nw h i
ch
up
t
ot
h
r e e r ef
e r e n c el i
n e sm
ay
b
ed
r aw
n .T h
e c r o s s
-s e c