Wady ostrza. Ponieważ ostrze ma duży promień niektóre elementy ukształtowania powierzchni nie są rejestrowane (fioletowy element)

Transkrypt

1

2 Wady ostrza Ponieważ ostrze ma duży promień niektóre elementy ukształtowania powierzchni nie są rejestrowane (fioletowy element) Ponieważ ostrze ma kilka zakończeń w obrazie pojawiają się powtórzone struktury (duchy).

3 Czy zawsze widzimy rzeczywistość? Obraz STM powierzchni grafitu To widzi mikroskop STM Rzeczywista struktura grafitu pierwsza warstwa druga warstwa Wynik obliczeń gęstości stanów STM mierzy lokalna gęstość stanów elektronowych!!!

4 Poniżej zobrazowano położenia zajętych i pustych stanów elektronowych atomów krzemu ulokowanych na powierzchni SiC(0001)-3x3. Poziomy zajęte Poziomy puste

5 Co możemy zobaczyć STM-em? Powierzchnia cienkiej warstwy Au P. Cyganik at al., IF UJ (111)Au P.Cyganik at al., IF UJ

6 Cs na GaAs(100) Atomy Cs

7 Ostrze STM Nanomanipulacje Metody elektryczne Atom Powierzchnia Schemat 1 Schemat 2 zaadsorbowany atom zostaje zlokalizowany i ostrze zostaje umieszczone nad nim ostrze jest obniżane do momentu, w którym oddziaływanie pomiędzy ostrzem i atomem jest wystarczające do trzymania atomu w czasie przesuwania ostrza ostrze jest przesuwane do właściwej pozycji ostrze jest usunięte znad atomu (dyfuzja stymulowana polem) n n n n zaadsorbowany atom zostaje zlokalizowany i ostrze zostaje umieszczone nad nim do ostrza zostaje podany krótki impuls napięciowy przenoszący atom z powierzchni na ostrze ostrze jest przesuwane do właściwej pozycji do ostrza zostaje podany impuls o przeciwnej polaryzacji przenoszący atom z ostrza na powierzchnię (parowanie polowe, elektromigracja)

8 Xenon on Nickel (110) Iron on Copper (111)

9 Iron on Copper (111)

10 Iron on Copper (111)

11 Liczydło atomowe Liczydło zrobiono z molekuł C-60 ustawionych wzdłuż uskoków na powierzchni miedzi M.T. Cuberes, R.R. Schlittler, J.K. Gimzewski Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 3016.

12 Zapis informacji Ostra i twarda igła zostawia rysy a potem może to sama zobrazować - działa zatem jednocześnie jak głowica pisząca i czytająca.

13 A może by tak wziąć wiele igieł? Tak postąpili naukowcy z IBM w Zurichu oraz Uniwersytetu w Bazylei i skonstruowali układ wielu igieł nazywając go Milipede

14 Nanometryczna maszyna drukarska Przy pomocy Milipede uzyskali gęstość zapisu 500 Gbit/cm 2. Dyskietka 1.4 cala pomieści 20 Tbit (200 dysków 100GB) IBM Zurich

15 STM

16 A co zrobić, gdy próbka jest nieprzewodząca? Czy neutralne atomy mogą oddziaływać ze sobą? 1 2 p 1 chwilowy moment dipolowy atomu 1 Pole elektryczne E 1 w odległości r od dipola p 1 ~ p 1 /r 3 Moment dipolowy p 2 indukowany w atomie 2 przez pole E 1, p 2 = α 2 Ε 1 p 2 α p r 2 1 = α 2 E, gdzie α 2 polaryzowalność atomu 2 3 Energia potencjalna oddziaływania dwóch dipoli ε ε = p1 r 3 p 2 α2 p 6 r 2 1

17 Potencjał van der Waalsa Część odpychająca Potencjał van der Waalsa V(r) = 4ε σ r 12 6 σ r Potencjał oddziaływania pomiędzy dwoma wzajemnie indukującymi się dipolami. Odpychanie występuje ze względu na: zakaz Pauliego (utrudnia nakładanie się orbitali elektronowych), odpychanie elektrostatyczne jąder, które przy niewielkich wzajemnych odległościach nie są już całkowicie ekranowane przez otaczające je elektrony.

18 Energia potencjalna Jak wykorzystać siły van der Waalsa? Część odpychająca Odległość Część przyciągająca Montujemy atom na sprężystej belce Badamy siłę oddziaływania atomu z powierzchnią poprzez pomiar wygięcia belki FWaalsa N Bardzo słabe oddziaływanie Bardzo czuła detekcja

19 Mikroskop sił atomowych - AFM Promień lasera Detektory optyczne Ostrze Belka Odchylenie belki wywołane działaniem siły van der Waalsa mierzymy poprzez detekcję przy użyciu układu detektorów optycznych odbicia promienia lasera od belki Próbka

20 Ostrze mikroskopu AFM STM Oddziałuje jeden atom AFM O ile przygotowanie dobrego ostrza do mikroskopu STM jest stosunkowo proste, to wykonanie dobrego ostrza do mikroskopu AFM jest bardzo trudne. Ostrze do mikroskopu AFM (tip) jest zamontowane na belce (cantilever). Wybór odpowiedniej belki oraz ostrza zależy od konkretnego zadania badawczego. Oddziałuje wiele atomów Przykładowe ostrza do mikroskopu AFM

21 Jaką belkę wybrać? Jeżeli chcemy badać morfologię powierzchni to belka, na której zamocowane jest ostrze powinna mieć stałą sprężystości znacznie mniejszą od stałej sprężystości badanej próbki. Jednak jeżeli interesuje nas pomiar stałej sprężystości próbki lub np. chcemy zbadać zjawisko tarcia w skali atomowej, to powinniśmy użyć belki o stałej sprężystości większej niż stała sprężystości badanej próbki. Ostrze Belka

22 Rodzaje pracy Mod kontaktowy Ostrze jest w kontakcie z powierzchnią. Mierzymy wygięcia belki w trakcie przesuwu po powierzchni Zmieniamy odległość z tak, aby wygięcie było stałe. Notujemy odległości z(x,y) Ostrze może niszczyć powierzchnię

23 Rodzaje pracy Mod bezkontaktowy Ostrze unosi się nad powierzchnią (bardzo słaba siła) k eff = k ω 0 = belki F z k eff m Zmiana siły oddziaływania powoduje zmianę częstośc rezonansowej Zmiana częstości rezonansowej powoduje zmianę amplitudy Mierzymy zmianę amplitudy drgań Zmieniamy odległość z tak, aby amplituda drgań była stała

24 Mikroskop sił poprzecznych (Lateral Force Microscope) -LFM Ostrze jest w kontakcie z próbką Mierzymy przechył belki przy ruchu bocznym Uzyskujemy informację np. o tarciu Mikroskop magnetyczny Ostrze jest pokryte materiałem magnetycznym Mierzymy strukturę magnetyczną próbki

25 Zastosowanie Izolatory, materiały organiczne, biologiczne, itp. 8x8 nm Powierzchnia kryształu KBr Po zbombardowaniu elektronami KBr M. Szymoński at al., IFUJ

26 Żywe erytrocyty Obraz komórek krwi uzyskany w buforze fosforanowym (PBS) M. Targosz, P. Czuba, M. Szymoński, IFUJ

27 Animacje zjawisk powierzchniowych Rozpylanie powierzchni Ag{111} jonem Ar o energii kinetycznej 100 ev Rozpylanie powierzchni Ag{111} jonem 4 kev Ar Rozpylanie powierzchni Ag{111} jonem Ga o energii kinetycznej 15keV Rozpylanie powierzchni Ag{111} fulerenem C60 o energii kinetycznej 15keV Powstawanie krateru na powierzchni Ag{111} bombardowanej jonem C60 o energii kinetycznej 15 kev Generacja fal uderzeniowych w krysztale srebra bombardowanego fulerenem C60 o energii kinetycznej 15 KeV

28 Animacje zjawisk powierzchniowych Emisja molekuł benzenu z monowarstwy benzenu ułożonej w rekonstrukcji (3x3) na powierzchni Ag{111} pod wpływem bombardowania 1 kev Ar Desorpcja molekuł benzenu z monowarstwy ułożonej w rekonstrukcji 3x3 na powierzchni Ag{111} bombardowanej jonem 4 kev Ar Emisja molekuł benzenu z warstwy organicznej o grubości 3 monowarstw osadzonych na podłożu Ag{111} bombardowanym jonami 4 kev Ar Desorpcja zestalonego kryształu Ar o temperaturze 15K pod wpływem bombardowania jonem Ar o energii 70 ev Desorpcja zestalonego kryształu Ar o temperaturze 15K pociskiem Ar o energii kinetycznej 2 kev Molekularny ludzik - emisja molekuł benzenu z powierzchni Ag{111} pokrytej warstwą benzenu w rekonstukcji 3x3 po uderzeniu pociskiem 8keV Kr

29 Żródła internetowe wykładu Autor: dr hab. Zbigniew Postawa