Nanoskopowe metody charakteryzacji materiałów. Obrazek: Helsinki University of Technology tfy.tkk.fi/sin/research/

Transkrypt

1 Nanoskopowe metody charakteryzacji materiałów Obrazek: Helsinki University of Technology tfy.tkk.fi/sin/research/

2 STM i AFM: podstawy konstrukcji STM AFM

3 Scanning tunelling microscope (STM) Heinrich Rohrer i Gerd K. Binnig IBM Zurich Research Laboratory, Szwajcaria Nagroda Nobla 1986 ~ 2κ z I T e Tryb STM wykorzystuje pomiar prądu tunelowania ( prąd pomiędzy igłą a powierzchnią próbki ). Do próbki przykłada się napięcie.

4 STM: zasada działania Prąd tunelowy zależy od odległości od próbki i pracy wyjścia (lokalnej gęstości stanów) Wysokość bariery jest funkcją pracy wyjścia igły i próbki Jeśli napięcie przyłożone jest znacznie mniejsze niż praca wyjścia, bierzemy pod uwagę tylko pracę wyjścia próbki Duża rozdzielczość w osi z (zmiana o 1 Å może odpowiadać dziesięciokrotnej zmianie natężenia)

5 STM: zasada działania Wynik pomiaru zależy również od lokalnej wartości funkcji gęstości stanów, zarówno dla próbki, jaki i dla igły. Obecność artefaktów może obniżać rozdzielczość obrazowania w płaszczyźnie.

6 STM Atom ksenonu na powierzchni niklu IBM Almaden Research Centre

7 STM: stały prąd (CCM) Przyłożone napięcie między igłą a próbką Przy zbliżaniu igły do powierzchni wytwarza się prąd tunelowy Pętla sprzężenia zwrotnego zapewnia stały prąd Przemieszczenie skanera odzwierciedla topografię próbki Obrazowanie próbek przewodzących lub nieprzewodzących na przewodzącym podłożu Zalety: + Wysoka rozdzielczość obrazowania + Obrazowanie próbek o nierównej powierzchni + Zastosowanie czułych wzmacniaczy pozwala obrazować próbki o niskiej przewodności, np. biologiczne Wady: -Prędkość obrazowania zależna od prędkości pętli sprzężenia zwrotnego - Trudności w interpretacji wyników zależne od lokalnej gęstości stanów, napięcia, wartości prądu Constant Current mode3.swf

8 STM: stały prąd HOPG (highly oriented pyrolytic graphite) Pentadekan

9 STM: skanowanie w płaszczyźnie (CHM) Przyłożone napięcie między igłą a próbką Przy zbliżaniu igły do powierzchni wytwarza się prąd tunelowy Igła porusza się w płaszczyźnie Topografia obrazowana na podstawie natężenia prądu tunelowego Obrazowanie próbek przewodzących lub nieprzewodzących na przewodzącym podłożu Zalety: + Wysoka rozdzielczość obrazowania +Duża szybkość obrazowania Wady: - Obrazowanie wyłącznie płaskich powierzchni (10 A) - Brak bezpośredniej informacji o topografii - Trudności w interpretacji wyników zależne od lokalnej gęstości stanów, napięcia, wartości prądu Constant_height_mode3.swf

10 STM: skanowanie w płaszczyźnie Nanorurka węglowa na podłożu HOPG

11 STM: lokalna szerokość bariery LBH Przesuw igły zbliżony jak w metodzie stałego prądu (pętla sprzężenia zwrotnego) Odległość igła próbka modulowana z okresem znacznie krótszym niż stała czasowa pętli sprzężenia zwrotnego. Zmiana wartości natężenia w funkcji odległości dostarcza informacji o lokalnej wartości pracy wyjścia ~ 2κz 2mΦ κ = 2 h I T e Φ ( ln ) 2 d I ~ T dz Barrier Height imaging3.swf Wady: -Trudności w interpretacji wyników raczej jakościowe a nie ilościowe

12 STM: Lokalna gęstość stanów (LDOS) Pomiar następuje jednocześnie z pomiarem topografii Napięcie przykładane do próbki jest modulowane z okresem znacznie krótszym niż stała czasowa pętli sprzężenia zwrotnego Pomiar zmian natężenia następujących jako odpowiedź na modulację napięcia (di/du) dostarcza informacji o lokalnej wartości funkcji gęstości stanów Density of States imaging3.swf Wady: - Topografia powierzchni może wpływać na wynik pomiaru LDOS

13 LBH i LDOS LBH- Warstwa fullerenów na podłożu grafiitowym I(z) Spectroscopy3.swf I(V) Spectroscopy3.swf LDOS - Dyslokacje w krysztale diamentu: Ying Ran, Yi Zhang & Ashvin Vishwanath Nature Physics 5, (2009)

14 AFM mikroskop sił atomowych Podział technik pomiaru: Bezpośredni kontakt (ang. contact) Częściowy kontakt (ang. semicontact, tapping) Brak kontaktu (ang. noncontact) Kilka przejazdów (ang. multipass)

15 AFM: tryby bezpośredniego kontaktu Tryby bezpośredniego kontaktu: Skanowanie w płaszczyźnie (CHM) Stała siła (CFM) Modulowana siła (FMM) Pomiar skręcenia bocznego (LFM) Pomiar piezoelektryków (PFM) Mikroskopia akustyczna (AFAM) Rozpływ prądu (SRI, SSRM) Siły elektrostatyczne (EFM) Pomiar impedancji

16 AFM: kontakt, skanowanie w płaszczyźnie Igła przesuwana po powierzchni próbki Punkt zamocowania ramienia na stałej wysokości Odkształcenie ramienia igły jest proporcjonalne do siły oddziaływania (prawo Hooke a) Odkształcenie odzwierciedla topografię próbki Opcjonalnie korekcja zniekształceń sferycznych Zalety: +Duża szybkość obrazowania + Wysoka rozdzielczość (ograniczona przez promień igły) Wady: - Niszczy powierzchnię miękkich próbek i igłę - Zniekształcenia dla próbek o różnej twardości lokalnej - W przypadku obecności wilgoci występują siły kapilarne Constant_Height_mode2.swf

17 AFM: kontakt, stała siła Igła przesuwana po powierzchni próbki Pętla sprzężenia zwrotnego utrzymuje stałą wartość siły docisku (wygięcia ramienia igły) Przemieszczenie skanera odzwierciedla topografię próbki Zalety: + Wysoka rozdzielczość (ograniczona przez promień igły) + Pomiar powierzchni o dużej i średniej twardości + Pomiar próbek o rozwiniętej topografii Wady: - Mniejsza szybkość skanowania - Zniekształcenia dla próbek o różnej twardości lokalnej - W przypadku obecności wilgoci występują siły kapilarne -Może uszkadzać miękkie próbki Constant_Force_mode.swf

18 AFM: kontakt Stała siła, Al 2 O 3 Skan w płaszczyźnie, MoTe 2 MnAs na krzemie, 6x6 µm

19 AFM: lateral force-siły skręcenia bocznego Igła przesuwana po powierzchni próbki Stosowane długie i cienkie końcówki, giętkie ramię Moment sił działających na koniec igły powoduje skręcenie ramienia Dla niewielkich odkształceń skręcenie jest proporcjonalne do sił działających na koniec igły Odwzorowanie lokalnych sił oddziaływania (siły tarcia itp.) Skanowanie wprzód i wspak pozwala oddzielić wpływ topografii Zalety: + Wysoka rozdzielczość +Rozróżnia materiały o różnych właściwościach + Charakteryzacja cienkich warstw Wady: - Niszczy powierzchnię miękkich próbek i igłę - Zniekształcenia dla próbek o różnej twardości lokalnej - W przypadku obecności wilgoci występują siły kapilarne Lateral_Force_mode2.swf

20 AFM: lateral force-siły skręcenia bocznego Ludzki włos, PARK Złoto na mice (mikromasch)

21 AFM:kontakt - modulowana siła docisku FMM Igła przesuwana po powierzchni próbki Zasada pomiar podobna jak w metodzie stałej siły Siła docisku modulowana sinusoidalnie Badanie lokalnej twardości próbki nanoindenter Po wykonaniu kalibracji można wyznaczyć moduł sprężystości Topografia wyznaczana na podstawie wartości średniej odkształcenia igły i przesunięcia skanera st. sprężystości próbki k p Dz = kr 1 D st. sprężystości ramienia przemieszczenie skanera przemieszczenie końca igły force_modulation_mode2.swf Kopolimer blokowy, Veeco

22 AFM:kontakt pomiar piezoelektryków Igła przesuwana po powierzchni próbki Do próbki przyłożone napięcie zmienne Odkształcenia pod wpływem pola elektrycznego powodują zmiany topografii Pomiar odkształcenia pionowego i skręcenia bocznego ramienia Pomiar przesunięcia fazowego między polem elektrycznym a odkształceniami ramienia Określenie rozmiarów i orientacji domen wewnątrz próbki Schemat układu pomiarowego, Agilent Struktura domenowa LiNbO 3, Agilent

23 AFM:kontakt pomiar piezoelektryków Pfm.swf Reakcja piezoelektryka na pobudzenie, Agilent

24 AFM:Pomiar rozpływu prądu-spreading resistance Igła przesuwana po powierzchni próbki Próbka podłączona do napięcia, przez przewodzącą igłę przepływa prąd Pomiar lokalnej wartości oporu (opór kontaktowy+opór próbki) Pomiar następuje równocześnie z pomiarem topografii Niezbędne jest zastosowanie układu wzmacniacza prądowego o szerokim zakresie wartości. Najczęściej tzw. wzmacniacz logarytmiczny nawet 10 rzędów wielkości (1 pa 10 ma). Spreading_Resistance_Im-g2.swf Heterostruktura, Veeco/Lucent Technologies

25 AFM:kontakt EFM-siły elektrostatyczne Igła (przewodząca) przesuwana po powierzchni próbki Tryb pomiar podobny jak w pomiarze przy stałej sile Do próbki przyłożone napięcie o składowej stałej (bias) i zmiennej Prąd przepływający przez igłę jest zwykle niewielki, co umożliwia pomiar sił elektrostatycznych F el 1 2 dc dz 2 ( z) = ( V V ) i p Pojemność powierzchniowa Siła oddziaływania elektrostatycznego Potencjał igły Potencjał próbki contact EFM2.swf

26 AFM:kontakt mikroskopia akustyczna AFAM Igła (przewodząca) przesuwana po powierzchni próbki (podobnie do metody stałej siły) Próbka na umieszczona przetworniku piezoelektrycznym Wzbudzenie drgań w ramieniu igły, na ich podstawie tworzona mapa wychyleń w pobliżu częstotliwości rezonansowej Na częstotliwość własną drgań ma wpływ twardość obszaru kontaktu i jego promień Inne czynniki mające wpływ na częstotliwość to siła nacisku, promień igły i geometria próbki Pozwala na wyznaczenie lokalnej wartości modułu Younga (rozdzielczość rzędu nanometrów) Mod rezonansowy pozwala wyznaczyć wartość zredukowanego modułu Younga PZT, NT-MDT Afam.swf

27 AFM: częściowy kontakt (semicontact) Ramię igły wprowadzane w drgania (przetwornik piezoelektryczny, warstwa magnetyczna, metody akustyczne). Oddziaływania odpychające występują jedynie przez część okresu drgań. Tryby pomiarowe: Pomiar topografii Obrazowanie fazowe (phase imaging) Sygnał odchylenia z pętli sprzężenia zwrotnego (feedback error) Pomiar wymaga dobrania częstotliwości rezonansowej do częstotliwości rezonansowej igły (rzędu khz) Zalety: + Pomiar miękkich materiałów +Małe zużycie igły i małe uszkodzenia próbki + Dobre odwzorowanie próbek o rozwiniętej topografii

28 AFM: częściowy kontakt - topografia Oddziaływanie igły z powierzchnią próbki powoduje zmianę częstotliwości oscylacji. Pętla sprzężenia zwrotnego utrzymuje stałą amplitudę oscylacji wydłużenie elementu piezoelektrycznego odpowiada topografii powierzchni. Oddziaływania odpychające, Van der Waalsa, elektrostatyczne i inne. Charakter oddziaływań zależy od amplitudy oscylacji przy dużej amplitudzie (200 nm) większy wpływ oddziaływań odpychających. Struktura białek, NT-MDT Semicontact_mode2.swf

29 AFM: obrazowanie fazowe Przesunięcie fazowe pomiędzy wymuszeniem a drganiami igły jest spowodowane m.in. przez adhezję, siły kapilarne, lepkość. W próbkach niejednorodnych dla obszarów o różnych właściwościach obserwuje się różne przesunięcie fazowe. Obrazowanie fazowe zwiększa kontrast i wydobywa szczegóły topografii. Dobra metoda obrazowania próbek o dużych różnicach wysokości powierzchni. Polietylen, NT-MDT Phase_Imaging_mode_en.swf Włókna celulozy, Veeco

30 AFM: sygnał pętli sprzężenia zwrotnego (feedback error) Szybkość skanowania jest ograniczona przez szybkość układu pętli sprzężenia zwrotnego. Różnica pomiędzy przesunięciem skanera i zmianami amplitudy drgań igły tzw. feedback error. Sygnał zawiera dodatkowe informacje o topografii metoda wyostrza uskoki i nierówności. Poli(tlenek etylenu(, NT-MDT Semicontact Error mode2.swf