Mikroskopie skaningowe

Transkrypt

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

2 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).

3 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!

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

5 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.

6 Teorii cdn. P 16 E ( 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) w!x 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).

7 i tunelowania

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

9 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

10 Skanner Skaner może być walcem wykonanym z piezoelektryka, podzielonym 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 l [Å] = B V[V] l[mm]/d[mm] Przykłady materiałów piezoelektrycznych: kwarc, dwufosforan amonowy, tytaniany: baru, wapnia, kobaltu, niobiany baru i ołowiu. gdzie; V napięcie l długość d grubość B stała zależna od materiału, dla PZT-5A wynosi 1,73 Å/V

11 TRYBY PRACY

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

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

14 Pierwsze zdjęcia STM UHV

15 Zdjęcia STM cząsteczek organicznych (UHV)

16 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

17 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

18 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.

19 Zdjęcia STM cd.

20 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

21 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)

22 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

23 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

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

25 CO man