Mikroskopie skaningowe

Transkrypt

1 SPM Scanning Probe Microscopy Mikroskopie skaningowe (SPM- Sharp Probe Microscopy)

2 Richard Feynman, Dec.29 th, 1959, Caltech: There's Plenty of Room at the Bottom. I want to offer another prize of another $1,000 to the first guy who makes an operating electric motor of only 1/64 inch cube - a rotating electric motor which can be controlled from the outside and not counting the lead-in wires, is only 1/64 inch cube $ paid to Bill McLellan, a ancient of Caltech for an engine miniature satisfying the conditions, but having required no technical innovation , Jet Propulsion Laboratory. with today's technology we can easily construct motors a fortieth of that size in each dimension, 64,000 times smaller than McLellan's motor, and we can make thousands of them at a time.... perhaps, this does not excite you to do it, and only economics will do so. Then I want to do something... It is my intention to offer a prize of $1,000 to the first guy who can take the information on the page of a book and put it on an area 1/25,000 smaller in linear scale in such a manner that it can be read by an electron microscope $ to Tom Newman, graduate student of Stanford.: - By ion beam lithography, he wrote the front page of "A Tale of Two Cities" of Charles Dickens on the scale of 1/25, Feynman s challenge = to write 24 volumes of the British Encyclopedia on the head of a hairpin: Newman calculated that every letter had to contain 50 atoms

3 Xe atoms On a Ni surface atoms for the letter I and 13 for B and M each letter : 5 nm Encyclopedia Britannica : 40,000 pages 0,1 mm square

4 Mikroskopy skanujące 1. Efekt tunelowania (STM). Stały prąd, stała wysokość. 2. Oddziaływania sił atomowych(afm). W kontakcie, bez kontaktu. 3. Oddziaływania magnetyczne (MFM) Amplituda, częstotliwość, zmiana fazy. 4. Oddziaływania lepkościowe (LFM) 5. Siły elektrostatyczne (EFM). Amplituda, częstotliwość, zmiana fazy. 6. Potencjał powierzchniowy (SPM). Amplituda, częstotliwość, zmiana fazy. 7. Oddziaływania chemiczne (STS).

5 STM Scanning Tunnelling Microscopy Skaningowa mikroskopia tunelowania EFEKT TUNELOWANIA ELEKTRONU Próżnia B A E F,A e 1 t V 1 A e 2 t V 2 s B E F,B TEORIA Gamov, Gurney, Condon: emisja Fowler, Nordheim: emisja elektronu w polu elektrycznym. i f ( s, V, ) ZASTOSOWANIE Esaki, Giaver, Fisher, Josephson: spektroskopia tunelowania. Nobel Binning, Rohrer, Gerber, Weibel: mikroskopia tunelowania. Nobel 1986!

6 Efekt tunelowania x < 0 x > 0 Fizyka klasyczna Mechanika kwantowa

7 Nieco teorii Dwa równania Schrödingera: 1. W materiale, odległość x < 0, 2. W obszarze bariery, x > 0,. H = ( ħ 2 2m)(d 2 dx 2 ) (1) H = ( ħ 2 2m)(d 2 dx 2 ) V (2) gdzie ħ jest stałą Planck a podzieloną przez 2, m jest masą elektronu, a V jest wysokością bariery. Rozwiązaniem równania dla elektronu o energii E dla materiału jest funkcja: = Ae ikx Be -ikx, gdzie k = (2mE/ ħ 2 ). (3) Rozwiązaniem równania dla elektronu o energii E dla bariery jest funkcja: = Ce ik x De -ik x, gdzie k = (2m(E-V)/ ħ 2 ) 1/2. (4) Rozwiązanie przy wykorzystaniu zależności: Ze i = Z(cos + isin ), oraz Ze -i = Z(cos - isin ) dowiedzie, że funkcja, w obszarze bariery, ma dwie składowe; 1. Urojoną, rosnąca do nieskończoności, którą można zaniedbać. 2. Rzeczywistą, która zmniejsza się ekspotencjalnie, czyli w obszarze bariery, gdzie zgodnie z fizyką klasyczną penetracja elektronu jest wzbroniona nawet dla E<V mechanika kwantowa przewiduje niezerowe prawdopodobieństwo znalezienia elektronu.czyli przez barierę może płynąć strumień elektronów (prąd) niosących jakieś informacje. ZJAWISKO TO JEST PODSTAWĄ MIKROSKOPII TUNELOWANIA.

8 Teorii cdn. 16 E ( P E) 2 s e 2 (5) gdzie 2m( E) / 2 (6) 1 2 (7) 2 Prawdopodobieństwo tunelowania P dla s >> 1 Prąd tunelowania i e (-2Ks) gdzie K = (2m / ħ 2 ) 1/2 (8) gdzie s jest odległością dwóch płaszczyzn, a φ jest funkcją pracy wyjścia e -. W równaniu (8) należy uwzględnić strukturę elektronową obu powierzchni, różnice w funkcjach prac wyjścia e -, zależność gęstości elektronowej od struktury krystalograficznej, kształt obu powierzchni oraz rzeczywisty potencjał pomiędzy powierzchniami. Dla jednej powierzchni płaskiej, a drugiej w kształcie ostrza Tersoff i Hamann wykazali, że równanie opisujące prąd przybierze postać; i = 32 3 ħ -1 e 2 V o2 D(E F )R 2 K -4 e 2KR (r o ) 2 (E E F ) (9) gdzie: E F jest energią Fermiego, E jest energią stanu funkcji powierzchni płaskiej (próbki), D(E F ) jest gęstością stanów na poziomie Fermiego drugiej powierzchni (ostrza), R jest promieniem ostrza, r 0 jest pozycją środka krzywizny ostrza, określonej przez (s+r).

9 i tunelowania

10 Rozdzielczość pozioma Res. = 2 r at. r t = 1 r at.

11 Mikroskop STM Urz.kontr. sterujące i x i z i y y z x Ostrze Kryształ piezoelektryczny Zwrotna pętla prądowa (feedback generator) Próbka i V

12 Skanner Skaner może być walcem wykonanym z piezoelektryka, podzielonego na 4 sektory. Do przeciwległych sektorów przykładamy napięcia o takich samych wartościach, lecz przeciwnych znakach. Po przyłożeniu napięcia odpowiedni sektor wydłuża się lub skraca, przechylając igłę zamocowaną na końcu skanera. Zmiana wymiaru piezoelektryków rurkowych Przykłady materiałów piezoelektrycznych: kwarc, dwufosforan amonowy, tytaniany: baru, wapnia, kobaltu, niobiany baru i ołowiu. l [Å] = B V[V] l[mm]/d[mm] gdzie; V napięcie l długość d grubość B stała zależna od materiału, dla PZT-5A wynosi 1,73 Å/V

13 TRYBY PRACY

14 STM stały prąd

15 6,78 Å Praktyka i teoria- wzajemne potwierdzenie Struktura krystalograficzna grafitu Doświadczalne zdjęcie STM powierzchni grafitu 3,35 Å 1,42 Å 2,46 Å B A Obliczenia LDOS (Local Density of States)

16 Korugacja HOPG Przekrój wzdłuż rzędu atomów Zdjęcie STM (Pracownia Elektrochemii, Wydział Chemii, U.W., M. Szklarczyk).

17 Pierwsze zdjęcia STM UHV

18 Zdjęcia STM cząsteczek organicznych (UHV)

19 Zdjęcia STM powierzchni metali i półprzewodników (UHV) Atomy NI, powierzchnia (100). Tit-Wah Hui, Univ. Guelph Atomy Pt, powierzchnia (111). Zdjęcia STM, IBM, Almaden, USA

20 Zdjęcia STM zaadsorbowanych atomów (UHV) 3 atomy Gd na powierzchni Nb(110) IBM, Almaden, USA Atomy tlenu na powierzchni Rh (111) 4 x 4 nm, IBM, Almaden, USA Atom Xe na powierzchni Ni (110) IBM, Almaden, USA 12 atomów Na i 16 atomów J na powierzchni Cu (111), IBM, Almaden, USA

21 Zdjęcia STM zarejestrowane w powietrzu i roztworze Zaadsorbowana warstwa hydrohinonu na elektrodzie Pd (111), 30 x 30 nm, Digital Instruments, USA. Zaadsorbowane atomy J na elektrodzie Pt (111), 2,5 x 2,5 nm, Digital Instruments, USA.

22 Zdjęcia STM cd.

23 Zdjęcia STM fal elektronowych. Korale elektronowe: atomy Fe na powierzchni Cu (111) M. F. Crommie, C. P. Lutz, D. M. Eigler, Science 262 (1993) 218, Zdjęcia STM, IBM, Almaden, USA de Broglie E = h 2 /2m 2

24 Zastosowanie STM Litografia Kontrola jakości Bity pamięci komputerowej Co-Cr na podkładzie NiFe, 2,3 x 2,3 m. Jeden bit 180 nm co 370 nm 1 Gb/cm 2. (Zdjęcia STM, IBM, Almaden, USA)

25 Nanoelektrochemia M 0 E 1 os E 2 os E 2 os E 1 os E 1 pr E 2 pr E 2 pr E 1 pr D. Kolb i współpracownicy, FRG

26 Próbka spolaryzowana ujemnie (Badanie poziomów zajętych) Stany elektronowe Spektroskopia tunelowania STS Próbka spolaryzowana dodatnio (Badanie poziomów pustych) Próbka Ostrze Próbka Ostrze Obraz poziomów zajętych Obraz poziomów pustych Obraz STM atomów krzemu na powierzchni SiC(0001)-3x3 w zależności od kierunku przepływu prądu tunelowania. Zdjęcia wykonano:wydział Fizyki, UJ Kraków

27 Spektroskopia tunelowania STS Esaki, Giaver, Fisher, Josephson,

28 CO man