1 k. AFM: tryb bezkontaktowy

Transkrypt

1 AFM: tryb bezkontaktowy Ramię igły wprowadzane w drgania o małej amplitudzie (rzędu 10 nm) Pomiar zmian amplitudy drgań pod wpływem sił (na ogół przyciągających) Zbliżanie igły do próbki aż do osiągnięcia żądanej amplitudy drgań (mniejszej niż amplituda drgań swobodnych) Pętla sprzężenia zwrotnego utrzymuje stałą średnią wartość amplitudy drgań. Pomiar bardzo miękkich próbek, próbek biologicznych itp. Częstotliwość f f 0 1 F k z Częstotliwość drgań swobodnych 0 Gradient sił St. sprężystości

2 AFM: tryb bezkontaktowy Wirus na powierzchni polimeru (PARK) Nanorurki węglowe (PARK)

3 AFM: modulacja częstotliwości drgań Ramię igły wprowadzane w drgania o małej amplitudzie (rzędu 10 nm) Stosunek sygnału do szumu może zostać zwiększony przez zwiększenie dobroci Q układu jednak duża dobroć powoduje zmniejszenie zakresu częstotliwości pracy igły Igła pracuje przy częstotliwości rezonansowej. Jeśli częstotliwość ulegnie zmianie (na skutek oddziaływań), układ sprzężenia zwrotnego utrzymuje częstotliwość rezonansową. Farmaceutyki (Bruker)

4 AFM: metody wielokrotnego skanowania Cel: pomiar własności powierzchni (elektrycznych, magnetycznych, mechanicznych i innych) z usunięciem wpływu topografii powierzchni Pomiar topografii podczas pierwszego przejazdu igły Profil topografii wykorzystywany do sterowania układu skanera podczas drugiego przejazdu Pomiar własności badanej podczas drugiego przejazdu W niektórych metodach trzy przejazdy (np. usuwanie wpływu topografii i pół elektrostatycznych na pomiar własności magnetycznych). Wymagania: stabilność czasowa układu skanującego (brak dryfu pomiędzy przejazdami), niezmienna powierzchnia próbki Metoda stosowana również w nanolitografii i nanomanipulacji

5 Siły elektrostatyczne (EFM) Igła przewodząca Przy pierwszym przejeździe pomiar topografii (np. częściowy kontakt) Przy drugim przejeździe wzbudzane drgania igły (przetwornik piezo), igła uziemiona lub spolaryzowana. Pod wpływem sił elektrostatycznych zmienia się amplituda i faza drgań Pomiar tych zmian pozwala wyznaczyć lokalny rozkład pól elektrostatycznych Wynik otrzymywany na podstawie drugiej pochodnej pojemności liczonej wzdłuż kierunku z zmniejsza wpływ pojemności ramienia igły i zwiększa rozdzielczość metody.

6 Siły elektrostatyczne (EFM) Mapping nanoscale efficiency variations in plastic solar cells David Coffey and David GingerTime-resolved electrostatic force microscopy reveals efficiency variations in plastic solar cells with 100nm resolution.27 February 2007, SPIE Newsroom. DOI: /

7 Pojemność (SCM) Przy pierwszym przejeździe pomiar topografii Przy drugim przejeździe do igły przyłożony potencjał o składowej stałej i składowej modulowanej Informacje mogą być uzyskiwane także z drugiej harmonicznej częstotliwość zmian potencjału =1/2 częstotliwości drgań igły F el 1 2 dc dz 2 z V V i p 1 dc 2 F2 ac 2 dz z V sin 2 t Jony osadzone na powierzchni krzemu (PARK) topografia, amplituda SCM i faza SCM

8 Potencjał kontaktowy - Kelvin Probe (KFM) Pomiar potencjału kontaktowego W pierwszym przejeździe pomiar topografii Przy drugim przejeździe igła na stałej wysokości nad próbką, do igły przyłożony potencjał o składowej stałej i składowej modulowanej Układ sprzężenia zwrotnego zmienia wartość składowej stałej aż do zaniku składowej zmiennej siły wywieranej na igłę Dla takich warunków potencjał igły jest równy lokalnemu potencjałowi powierzchni F el 1 2 dc dz 2 z V i p F dc dz z V V sin t 1 dc p ac

9 Potencjał kontaktowy (Kelvin probe) Złącze p-n (NT-MDT) Układy scalone (PARK)

10 Siły magnetyczne (MFM) Igła pokryta warstwą magnetyka W pierwszym przejeździe pomiar topografii Przy drugim przejeździe igła na stałej wysokości nad próbką - wysokość duża w stosunku do zasięgu sił Van der Waalsa Wygięcie ramienia igły jest proporcjonalne do siły oddziaływań magnetycznych igły i próbki Igła może być traktowana w przybliżeniu jako dipol magnetyczny Rozdzielczość metody rzędu 20 nm, pola magnetyczne 10 T F 0 m H Twardy dysk (NT-MDT) Moment magnetyczny igły Pole magnetyczne próbki

11 Siły magnetyczne (MFM) metoda oscylacyjna Przy drugim przejeździe igła wprawiona w drgania porusza się na stałej średniej wysokości nad próbką Mierzone zmiany częstotliwości drgań w stosunku do częstotliwości własnej igły Dla sił przyciągających częstotliwość zmniejsza się, dla odpychających zwiększa Sygnał proporcjonalny do drugiej pochodnej pola magnetycznego w kierunku prostopadłym do płaszczyzny ramienia igły. F n ( n F) Powierzchnia Co/Pt, OMICRON

12 Pomiar strat (dissipation force) Przy drugim przejeździe igła pętla sprzężenia zwrotnego utrzymuje stałą rezonansową częstotliwość drgań igły Pomiar oddziaływań na podstawie zmian amplitudy drgań Wyznaczane obszary u dużym i małym tłumieniu Górny MFM, dolny straty. Największe straty na ściankach domenowych igła ciągnie ściankę.

13 Sprzężenie AFM - Raman Efekt TERS tip enhanced Raman spectroscopy, sygnał Ramana ulega wzmocnieniu w obszarze pomiędzy metalizowaną igłą a próbką. Rozdzielczość lokalnych pomiarów widma Ramana rzędu dziesiątek nm

14 Sprzężenie AFM-SNOM Pomiar lokalnych właściwości optycznych - Scanning near field optical microscopy (SNOM) Światło laserowe dostarczane przez niewielki otwór w powłoce światłowodu. Dostępne mody: - pomiar topografii (shear force) - odbicie - transmisja - luminescencja

15 Sprzężenie AFM-SNOM Pomiar topografii: Kwarcowy kamerton wzbudzany do drgań poprzecznych. Drga cały układ kwarc-światłowód Elektrody umieszczone na kwarcu rejestrują amplitudę drgań Podczas skanowania powierzchni utrzymywana stała amplituda drgań, co ma zapewnić stałą odległość od próbki Informacja o topografii z pętli sprzężenia zwrotnego

16 Nanolitografia Techniki nanolitografii: Tryb kontaktowy (scratching) Tryb częściowego kontaktu (dynamic plowing) STM (impuls prądowy powoduje odparowanie/topnienie) Elektrochemiczna (anode oxidation) Wzór na powierzchni tytanu Ti