Kamil Zalewski, Wojciech Nath, Marcin Ewiak, Grzegorz Gabryel



Podobne dokumenty
AFM. Mikroskopia sił atomowych

Rodzaje mikroskopów ze skanującą sondą (SPM, Scanning Probe Microscopy)

Mikroskopia skaningowa tunelowa i siłowa

1 k. AFM: tryb bezkontaktowy

SPM Scanning Probe Microscopy Mikroskopia skanującej sondy STM Scanning Tunneling Microscopy Skaningowa mikroskopia tunelowa AFM Atomic Force

Skaningowy mikroskop tunelowy STM

Podstawy fizyki wykład 2

I. Wstęp teoretyczny. Ćwiczenie: Mikroskopia sił atomowych (AFM) Prowadzący: Michał Sarna 1.

NOWOCZESNE TECHNIKI BADAWCZE W INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ. Beata Grabowska, pok. 84A, Ip

Wykład 21: Studnie i bariery cz.2.

M2 Mikroskopia sił atomowych: badanie nanostruktur.

Badanie powierzchni materiałów z za pomocą skaningowej mikroskopii sił atomowych (AFM)

M1/M3 Zastosowanie mikroskopii sił atomowych do badania nanostruktur

Elementy pomiaru AFM

Mikroskop sił atomowych

Mikroskop sił atomowych (AFM)

Laboratorium nanotechnologii

Spektroskopia modulacyjna

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

Uniwersytet Łódzki, Wydział Chemii Katedra Chemii Nieorganicznej i Analitycznej Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii Łódź, ul.

Oglądanie świata w nanoskali mikroskop STM

Wytwarzanie niskowymiarowych struktur półprzewodnikowych

DOTYCZY: Sygn. akt SZ /12/6/6/2012

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

Wykład 12 V = 4 km/s E 0 =.08 e V e = = 1 Å

(Pieczęć Wykonawcy) Załącznik nr 8 do SIWZ Nr postępowania: ZP/259/050/D/11. Opis oferowanej dostawy OFERUJEMY:

Mikroskopia polowa. Efekt tunelowy Historia odkryć Uwagi o tunelowaniu Zastosowane rozwiązania. Bolesław AUGUSTYNIAK

ĆWICZENIE 4a. Analiza struktury kompozytów polimerowych

Mikroskopia Sił Atomowych (AFM)

Czujniki. Czujniki służą do przetwarzania interesującej nas wielkości fizycznej na wielkość elektryczną łatwą do pomiaru. Najczęściej spotykane są

Badanie strutury powierzchni z atomową zdolnością rozdzielczą. Powierzchnia jak ją zdefiniować?

Różnorodne zjawiska w rezonatorze Fala stojąca modu TEM m,n

Zaawansowane Metody Badań Strukturalnych. Dyfrakcja rentgenowska cz.2 Mikroskopia Sił Atomowych AFM

Wykład Budowa atomu 2

Mikroskopie skaningowe

Wykaz ćwiczeń laboratoryjnych z fizyki(stare ćwiczenia)

Aparatura do osadzania warstw metodami:

Statyka Cieczy i Gazów. Temat : Podstawy teorii kinetyczno-molekularnej budowy ciał

Opis przedmiotu zamówienia

Mikroskop tunelowy skaningowy Scaning tuneling microscopy (STM)

O manipulacji w nanoskali

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

Model wiązania kowalencyjnego cząsteczka H 2

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz.13

MATERIAŁY POMOCNICZE DO WYKŁADU Z PODSTAW ZASTOSOWAŃ ULTRADŹWIĘKÓW W MEDYCYNIE (wyłącznie do celów dydaktycznych zakaz rozpowszechniania)

Laboratorium techniki laserowej Ćwiczenie 2. Badanie profilu wiązki laserowej

Ciało doskonale czarne absorbuje całkowicie padające promieniowanie. Parametry promieniowania ciała doskonale czarnego zależą tylko jego temperatury.

Dyfrakcja rentgenowska cz.2 Mikroskopia Sił Atomowych AFM

Laserowe technologie wielowiązkowe oraz dynamiczne formowanie wiązki 25 październik 2017 Grzegorz Chrobak

Menu. Badające rozproszenie światła,

METODY BADAŃ BIOMATERIAŁÓW

Grafen materiał XXI wieku!?

h λ= mv h - stała Plancka (4.14x10-15 ev s)

Zastosowanie deflektometrii do pomiarów kształtu 3D. Katarzyna Goplańska

(zwane również sensorami)

Pomiar prędkości obrotowej

Elektrochemiczne metody skaningowe i ich zastosowanie w in ynierii korozyjnej

Wyznaczanie sił działających na przewodnik z prądem w polu magnetycznym

CIEPLNE I MECHANICZNE WŁASNOŚCI CIAŁ

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

Łukowe platerowanie jonowe

PRZETWORNIKI POMIAROWE

Teoria pasmowa ciał stałych

Optyka. Optyka geometryczna Optyka falowa (fizyczna) Interferencja i dyfrakcja Koherencja światła Optyka nieliniowa

Wykład 9: Fale cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

WIĄZANIA. Co sprawia, że ciała stałe istnieją i są stabilne? PRZYCIĄGANIE ODPYCHANIE

Skaningowy Mikroskop Elektronowy. Rembisz Grażyna Drab Bartosz

dr inż. Beata Brożek-Pluska SERS La boratorium La serowej

1.6. Ruch po okręgu. ω =

Efekt Halla. Cel ćwiczenia. Wstęp. Celem ćwiczenia jest zbadanie efektu Halla. Siła Loretza

14 Modulatory FM CELE ĆWICZEŃ PODSTAWY TEORETYCZNE Podstawy modulacji częstotliwości Dioda pojemnościowa (waraktor)

Różne dziwne przewodniki

Badanie własności hallotronu, wyznaczenie stałej Halla (E2)

PRACA Pracą mechaniczną nazywamy iloczyn wartości siły i wartości przemieszczenia, które nastąpiło zgodnie ze zwrotem działającej siły.

Niezwykłe światło. ultrakrótkie impulsy laserowe. Piotr Fita

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

!!!DEL są źródłami światła niespójnego.

Atomy wieloelektronowe

Ćwiczenie 1 LABORATORIUM ELEKTRONIKI POLITECHNIKA ŁÓDZKA KATEDRA PRZYRZĄDÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I OPTOELEKTRONICZNYCH

Własności magnetyczne materii

Kątowa rozdzielczość matrycy fotodetektorów

BADANIE PROSTEGO I ODWROTNEGO ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO I JEGO ZASTOSOWANIA

Fizyka powierzchni. Dr Piotr Sitarek. Katedra Fizyki Doświadczalnej, Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Politechnika Wrocławska

NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY) dr Marcin Lipowczan

Pytania z przedmiotu Inżynieria materiałowa

Ciała stałe. Literatura: Halliday, Resnick, Walker, t. 5, rozdz. 42 Orear, t. 2, rozdz. 28 Young, Friedman, rozdz

Wybrane elementy elektroniczne. Rezystory NTC. Rezystory NTC

Pytania do ćwiczeń na I-szej Pracowni Fizyki

Elementy teorii powierzchni metali

Dźwięk. Cechy dźwięku, natura światła

SPEKTROSKOPIA IR I SPEKTROSKOPIA RAMANA JAKO METODY KOMPLEMENTARNE

PIEZOELEKTRYKI I PIROELEKTRYKI. Krajewski Krzysztof

Próżnia w badaniach materiałów

PDF stworzony przez wersję demonstracyjną pdffactory

Nadprzewodniki. W takich materiałach kiedy nastąpi przepływ prądu może on płynąć nawet bez przyłożonego napięcia przez długi czas! )Ba 2. Tl 0.2.

Różne typy wiązań mają ta sama przyczynę: energia powstającej stabilnej cząsteczki jest mniejsza niż sumaryczna energia tworzących ją, oddalonych

UMO-2011/01/B/ST7/06234

KOOF Szczecin:

Theory Polish (Poland)

Transkrypt:

Kamil Zalewski, Wojciech Nath, Marcin Ewiak, Grzegorz Gabryel

Ogólny opis mikroskopów Wstęp do idei mikroskopów skanujących Rodziny mikroskopów skanujących Ogólna zasada działania mikroskopów AFM i STM Mikroskopy STM Mikroskopy AFM Zastosowania Komercyjne rozwiązania

Optyczne SEM/TEM Konfokalne SPM

Urządzenie silnego powiększania obrazu wykorzystujące do generowania tego obrazu światło przechodzące przez specjalny układ optyczny składający się zazwyczaj z zestawu od kilku do kilkunastu soczewek optycznych.

rodzaj mikroskopu elektronowego, w którym obraz uzyskiwany jest w wyniku "bombardowania" próbki wiązką elektronów, która skupiona jest na przedmiocie w postaci małej plamki.

Obecnie używa się głównie trzech typów mikroskopów konfokalnych: skanujące laserowe mikroskopy konfokalne mikroskopy konfokalne z wirującym dyskiem PAM (ang. Programmable Array Microscopes). Technika mikroskopii konfokalnej znalazła szerokie zastosowanie w naukach biologicznych oraz w technice (na przykład do badania półprzewodników).

(ang. Scanning Probe Microscope mikroskop ze skanującą sondą) to ogólna nazwa całej rodziny mikroskopów, których zasada działania polega na: 1. skanowaniu, czyli przemiataniu pola widzenia mikroskopu liniami, każda linia jest następnie mierzona punkt po punkcie obraz tworzony na podstawie tych pojedynczych punktów pomiarowych 2. wybór punktu pomiarowego następuje poprzez poruszanie nad próbką sondy (próbnika) zasadniczy pomiar określonej właściwości badanej próbki jest dokonywany za pomocą tej sondy.

Optyczne SEM/TEM Konfokalne SPM Powiększenie 103 107 104 109 Cena [$] 10k 250k 30k 100k Wiek technologii 200 lat 40 lat 20 lat 20 lat Aplikacje Wszechobecny Nauka i technika Nowe i rozwijające się Nowoczesne Wartość 800M rynku 1993 400M 80M 100M Tempo wzrostu 10% 30% 60% 10%

Mikroskopy skanujące: AFM Atomic Force Microscope BEEM Ballistic Electron Emission Microscope EFM Electrostatic Force Microscope ESTM Electrochemical Scanning Tunneling Microscope FMM Force Modulation Microscope KPFM Kelvin Probe Force Microscope MFM Magnetic Force Microscope NSOM Near-field Scanning Optical Microscope PSTM Photon Scanning Tunneling Microscope SECM Scanning Electrochemical Microscope

Mikroskopy skanujące: SCM Scanning Capacitance Microscope SICM Scanning Ion-Conductance Microscope STM Scanning Tunneling Microscope SVM Scanning Voltage Microscope SHPM Scanning Hall Probe Microscope SPSM Spin Polarized Scanning Tunneling Microscope SThM Scanning Thermal Microscope PTMS Photothermal Microspectroscope

Skaningowy mikroskop tunelowy (ang. Scanning Tunneling Microscope) rodzaj mikroskopu SPM (ang. Scanning Probe Microscope) ze skanującą sondą. Wykorzystuje efekt zjawiska tunelowego znanego z fizyki kwantowej. Ruch mechaniczny sondy wykonywany jest w oparciu o zjawisko piezoelektryczne. Zdolność rozdzielcza rzędu pojedynczych atomów. Możliwość obserwacji jedynie próbek wykonanych z przewodników.

Twórcami pierwszego mikroskopu STM byli Gerd Binnig oraz Heinrich Rohrer, którzy w 1982 roku w Szwajcarii zastosowali prototyp do badania właściwości bardzo cienkich warstw tlenków. W 1986 roku otrzymali nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Mikroskop STM stał się pierwowzorem dla projektu mikroskopu sił atomowych AFM (ang. Atomic Force Microscope).

Zjawisko tunelowe zjawisko przejścia cząstki przez barierę potencjału wyższą niż energia cząstki, opisane przez fizykę kwantową. Zjawisko piezoelektryczne zjawisko polegające na deformacji mechanicznej kryształu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego lub powstaniu różnicy potencjałów na przeciwległych ściankach wskutek deformacji kryształu.

Zjawisko piezoelektryczne proste generacja różnicy potencjałów między przeciwległymi ściankami kryształów w wyniku odkształcenia materiału przez siłę zewnętrzną. Zjawisko piezoelektryczne odwrotne mechaniczna deformacja kryształu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego przyłożonego do przeciwległych ścianek kryształu.

Przyłożenie pola elektrycznego o mniejszej względnej wartości V1 powoduje rozciągnięcie walca (ΔV < 0). Przyłożenie pola elektrycznego o większej wartości względnej V2 powoduje spłaszczenie materiału (ΔV > 0).

x y z Skanery mają przeważnie postać tubusa. Przyłożone napięcia generują odkształcenia w trzech ortogonalnych kierunkach: x, y, z Piezoelektryki wykonuje się z tytanianu ołowiano cyrkonowego (tzw. stop PZM) Polikrystaliczne ciało stałe o różnych momentach dipolowych konieczne jest porządkowanie prądem stałym w wysokiej temperaturze

V l = kle = kl d k stała piezoelektryczna, l pierwotna długość, V przyłożone napięcie, Szerokość próbki Δl efektywne wydłużenie/skurczenie próbki Liniowa aproksymacja wydłużenia skanera W rzeczywistości nieliniowość wzrasta wraz ze wzrostem obszaru skanowania oraz napięcia polaryzującego Zarejestrowane dane są zniekształcone konieczna korekta (sprzętowo lub programowo)

Rys. 2. Rys. 1. przedstawia rurkę skanera piezoelektrycznego Rys. 2. Rurka skanera piezoelektrycznego widok od góry wraz z doprowadzonymi elektrodami Rys. 3. widok trójwymiarowy Rys. 1. Rys. 3.

Pojęcie bariery potencjału Ujęcie klasyczne przedział x2 < x < x3 jest zakazany (ujemna energia kinetyczna) Ujęcie kwantowe prawdopodobieństwo przeniknięcia cząstki przez barierę potencjału Określenie prawdopodobieństwa poprzez rozwiązanie równania falowego (Schrödingera) Interpretacja w oparciu o zasadę nieoznaczoności :

Φ2 Φ1 Polaryzacja złącza próbka ostrze wywołuje przepływ prądu z próbki do ostrza Odległość z rzędu kliku angstremów Wysokość bariery potencjału: Prąd tunelowy :

Nad powierzchnią, która może być wykonana jedynie z przewodnika umieszczona jest sonda (igła). Ramię sondy porusza igłą lub próbka zmienia swoje położenie względem sondy. W teorii zakończeniem sondy jest dokładnie jeden atom. Odległość sonda - próbka jest rzędu kilku angstremów (do 1nm). Między sondą a próbką przyłożone jest napięcie rzędu ułamków do kilku woltów. Na skutek emisji polowej elektron pokonuje barierę potencjału przeskakując z ostrza do próbki lub odwrotnie w zależności od przyłożonego napięcia. Typowe wartości prądu: 0,1 10 na

AB krzywa obrazująca tor skanowania, CU układ elektroniczny przekształcający zmiany VT na napięcie Vz, zapewniające przesuw ostrza celem utrzymania stałego prądu IT lub stałej odległości s w zależności od trybu pracy mikroskopu. Px, Py, Pz ramiona piezoelektrycznego monokryształu. Zdolność rozdzielcza: Płaszczyzna xy - 1Å, Wymiar z 0,01Å Otrzymany obraz cechuje się bardzo wysoką rozdzielczością. STM bardzo czułe urządzenie Δs 0,1 nm ΔIT rząd wielkości.

Blok X-Y steruje ruchem w płaszczyźnie xy, Sterowanie ruchem skanera w płaszczyźnie z odbywa się poprzez układ sprzężenia zwrotnego. Na podstawie różnicy napięć I0 oraz IT układ reguluje wysokością z za pomocą wyjściowego napięcia Uz.

Tryb stałej wysokości (CHM Constant Height Mode) ostrze przemieszcza się w płaszczyźnie poziomej na stałej wysokości, Prąd tunelowy zmienia się wraz z topografią badanej próbki i lokalnych własności elektronowych Wartość prądu w każdym punkcie skanowania obraz topograficzny badanego materiału

Tryb stałego prądu (CCM Constant Current Mode) Wykorzystuje sprzężenie zwrotne (const. IT), Dopasowanie położenia skanera w każdym punkcie pomiarowym (np. Wzrost prądu IT zmiana Uz tak, aby zwiększyć z), Pionowe położenia skanera dostarczają danych do tworzenia obrazu.

Tryb spektroskopowy (STS Scanning Tunneling Spectroscopy) badana jest zależność prądu tunelowego w funkcji napięcia polaryzacji między ostrzem a próbką, Znak polaryzacji określa kierunek tunelowania: ostrze próbka lub próbka ostrze, Umożliwia określenie gęstości stanów elektronów w badanej substancji, Pochodna prądu tunelowego po napięciu jest proporcjonalna do gęstości stanów elektronów Odwzorowanie powierzchni stałego prawdopodobieństwa tunelowania

Komora próżniowa systemu UHV mikroskopu STM i RHEED Ultra wysoka próżnia (UHV Ultra High Vacuum) warunki, w których badana powierzchnia nie zostanie zanieczyszczona obcymi atomami, Optymalne warunki próżniowe 10-9 Pa, Czas w jakim badana powierzchnia zostanie pokryta atomami obcych molekuł od kilku godzin do kilku dni, Otrzymuje się poprzez stosowanie pomp jonowych lub turbomolekularnych, Czyszczenie próbek poprzez bombardowanie atomami gazów szlachetnych lub ogrzewanie w wysokiej próżni.

Igła idealna Igła rzeczywista Ostrze używane do badań musi być bardzo cienkie (w idealnym przypadku końcówka powinna mieć grubość atomu) kwestia rozdzielczości, Ostrza wykonuje się z drutu wolframowego lub irydowoplatynowego (Ir/Pt), a także złota oraz diamentu, Najczęściej otrzymuje się je poprzez elektrochemiczne trawienie w 30 % roztworze KOH lub NaOH

Poprzez ciecie, szlifowanie, Mała powtarzalność, Duży promień krzywizny (ok. 0,1 1 μm) zmniejsza rozdzielczość, Wymiary sondy Cięcie mechaniczne Średnica drutu rzędu 0,1 1 mm, Rozmiary rzędu mikrometrów Cięcie mechaniczne: Trawienie chemiczne Trawienie chemiczne: Powtarzalne kształty, Wysoka jakość, pożądany promień krzywizny i kształt (promień krzywizny ok. 1nm), Trawienie odsłania strukturę kryształu, Nie zapewnia dokładnej kontroli nad strukturą atomową końcówki.

Zestaw do tworzenia ostrzy wolframowych do STM metodą trawienia elektrochemicznego

Cechy duża wytrzymałość mechaniczna oraz odporność na utlenianie, Wolfram twardy, łatwo się utlenia, Stosowany w wysokiej próżni, Stop Pt Ir (80/20) odporny na utlenianie, Iryd zapewnia sztywność, Złoto, diament

Szybszy brak konieczności korekcji położenia głowicy skanera, Mniejsza dokładność pomiarowa sygnał informacyjny odwzorowany w stopniu zależnym od gładkości skanowanej powierzchni, Ograniczona stosowalność próbki o relatywnie gładkiej powierzchni, Tryb stałej wysokości Tryb stałego natężenia prądu Tryb stałej wysokości: Tryb stałego natężenia prądu: Wolniejszy konieczność korekcji położenia głowicy, Wysoki poziom precyzji nie zależy od poziomu nieregularności badanej powierzchni, Szeroka stosowalność nieregularność badanych powierzchni nie ogranicza stosowalności tej metody, Większa rozdzielczość w kierunki z

Drgania rzędu μm min. ok. 1000 razy większe niż odległość sonda próbka, 1 100Hz zakres drgań budynków mieszkalnych, ok. 60 Hz praca napędów elektrycznych, transformatorów i systemów wentylacji, Wibracje akustyczne stanowią problem podczas badań w atmosferze stosowanie specjalnych absorberów np. pianka,

System tłumienia wibracji wykorzystujący prądy wirowe Talerz, na którym zamocowany jest skaner zawieszony jest na czterech sprężynach ukrytych w metalowych kolumnach, Częstotliwość rezonansowa 2 Hz, Pierścień miedzianych blaszek umieszczony między magnesami stałymi tłumienie drgań systemu zawieszenia, Możliwość blokady systemu dźwignia PPM

Pierwotny projekt: Mikroskop na nadprzewodzącej czaszy wypchanej na zewnątrz z niejednorodnego pola magnetycznego (unoszenie się nadprzewodnika w polu magnetycznym) Stabilność rzędu 0,02nm

System podnośników (55) zapewniający ruch pionowy Kolumny (58) eliminujące drgania Sprężyny (61) Oscylatory (różne częstotliwości drgań) Nadprzewodząca podstawka (59)

Dryft termiczny: Ruch atomów związany ze zmianami temperatury rozszerzenie i kurczenie się materiałów, Szum termiczny: Proporcjonalny do pierwiastka temperatury, Wpływ temperatury na stabilność: Wysokie temperatury powodują niestabilność sondy i próbki: Nieliniowość i histereza piezoelektryków: Obniżenie dokładności sterowania sondą

LTSTM Low Temperature STM Utrzymanie stałej temperatury przez sprzężenie z kriostatem, Stała temperatura likwidacja dryftu, Niska temperatura zmniejszenie szumu, nieliniowości/histerezy, poprawa stabilności, Temperatura pracy 30 K (ciekły Hel) 1000K (grzejnik zamiast gazów chłodzących)

AFM Mikroskop sił atomowych: sonda zamocowana na cienkiej dźwigience o dł. rzędu 100 200 μm, Siły oddziaływania między ostrzem i próbką (Van der Waalsa) powodują skręcenie lub wychylenie dźwigienki, co umożliwia stworzenie obrazu topograficznego, MFM Mikroskop sił magnetycznych: Ostrze pokryte cienką warstwą ferromagnetyka wiruje z cz. bliską cz. rezonansowej poruszając się blisko powierzchni, Rejestracja namagnesowania badanej powierzchni poprzez modulacje częstotliwości, Używany do badania struktur domen magnetycznych powierzchni głowic i nośników magnetycznych, NSOM Mikroskop optyczny bliskiego zasięgu: Wiązka światła widzialnego emitowana jest w stronę powierzchni, następnie rejestruje się i mierzy modulacje wiązki odbitej, Jej intensywność w każdym punkcie tworzy obraz powierzchni, Odległość źródła światła i powierzchni nie powinna przekraczać 5 nm, Rozdzielczość rzędu 15nm,

LFM Mikroskop sił poprzecznych: Źródłem sygnału do tworzenia obrazu powierzchni jest wychylenie boczne dźwigienki (skręcenie), Wychylenie skutek zmian tarcia powierzchniowego oraz zmian nachylenia powierzchni próbki, EFM Mikroskop sił elektrostatycznych: Sondujące ostrze posiadające ładunek elektrostatyczny wprawiane jest w wibracje o cz. zbliżonej do cz. rezonansowej, Mierzy się zmianę amplitudy drgań ostrza spowodowaną przez siły elektrostatyczne układu ostrze powierzchnia, Używany do testowania aktywnych mikroprocesorów w układach o wysokiej skali integracji. TSM Skaningowy mikroskop termiczny: Sonda ma postać termopary (np. wolfram, stop wolframowo -niklowy), Napięcie ostrza jest proporcjonalne do jego temperatury, Podgrzane prądem ostrze jest umieszczane w pobliżu próbki, Informacja o topografii pomierzona przewodność cieplna poprzez straty ciepła zależne od odległości ostrze - próbka

SCM Skaningowy mikroskop pojemnościowy: Pomiędzy sondą a próbką indukowane jest pole elektryczne, Źródłem informacji o topografii są zmiany przestrzenne pojemności pomiędzy próbką a sondą poruszającą się na stałej wysokości.

Trójwymiarowa projekcja struktury krzemu Wynik skanowania powierzchni krzemu Si

Obraz cząsteczki DNA osadzonej na podłożu grafitowym uzyskany w ultrawysokiej próżni, Wymiar 8x12nm2, Kolory określają skalę wysokości; Fioletowy najniżej położone punkty zielony żółty najwyżej położone punkty.

Jeżeli do igły przyłożona zostanie wyższa wartość napięcia niż przy skanowaniu, możliwe jest oderwanie pojedynczego atomu z powierzchni próbki i przełożenie go w inne miejsce. Stwarza to możliwość obróbki materiału na poziomie atomowym.

Obraz uzyskany za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej manipulacja molekularna Mikroskop STM nie rozróżnia w rzeczywistości pojedynczych atomów lecz mierzy gęstość elektronową wokół nich.

AFM Atomic Force Microscope Opracowany w 1986 przez G. Binnig, C. Quate, C. Gerber Rozwinięcie koncepcji mikroskopu skanującego opracowanej dla STM Rozszerzenie zakresu zastosowań mikroskopii skaningowej Pomiar sił rzędu nn

Instrument skanujący Wspornik Sonda skanująca Jedna z wielu możliwości konstrukcji Skaner próbek Optyczny pomiar odchylenia Układ sterowania

Siły kontaktu mechanicznego (tarcie) Długozasięgowe Van der Waalsa (60 nm, ~60 nn) Kapilarne (5-50 nm, ~60 nn) Magnetyczne Elektrostatyczne Krótkozasięgowe Odpychanie jonowe Wiązania kowalencyjne

Kierunek działania siły zmienia się wraz z odległością Możliwa praca w różnych trybach Źródło: Opensource Handbook of Nanoscience and Nanotechnology

Statyczny (kontaktowy) Końcówka sondy w kontakcie z podłożem Tapping (przerywany) sonda wprowadzona w drgania, kontakt z podłożem przerywany Dynamiczny (bezkontaktowy) sonda wprowadzone w drgania, brak kontaktu sondy z podłożem

Odpychanie końcówki sondy od podłoża oddziaływanie siły na ostrze Odkształcenie się wspornika zgodnie z prawem Hooke'a F q= k q- odkształcenie materiału F- siła działająca na materiał k- stała sprężystości Wielkość odkształcenia jest mierzona i używana do określenia kształtu powierzchni

Stała sprężystości wpływa na rozdzielczość Dla wysokich rozdzielczości k powinno być małe Mała wartość k wprowadza niestabilność wspornika Typowa wartość k = 10 N/m Rozdzielczość pionowa: 0,1 nm, pozioma 0,2 nm Mierzone siły do 0,2 nn Ograniczenia Ryzyko uszkodzenia powierzchni przez ostrze Wpływ sił tarcia na pomiar

Obrazowanie miękkich powierzchni Zmniejszony wpływ tarcia Obrazowanie na podstawie pomiaru amplitudy drgań sondy

http://monet.unibas.ch/famars/afm_prin.htm Sonda wprowadzana w wibracje o częstotliwości zbliżonej do rezonansowej Brak kontaktu sondy z podłożem Wibracje modulowane (AM lub FM) Oddziaływanie siły powoduje zmianę parametrów oscylacji

Drgania wspornika modulowane amplitudowo Zmiany amplitudy podczas skanowania porównywane z amplitudą początkową Sygnał różnicowy używany do sterowania ustawieniem próbki w osi z

Drgania wspornika modulowane częstotliwościowo Zmiana w oddziaływaniu ostrze próbka powoduje zmianę częstotliwości drgań Pętla sprzężenia zwrotnego zapewnia stabilność

Wymagania i warianty budowy sondy i wspornika Metody pomiaru odchylenia wspornika tunelowanie pojemnościowe piezorezystywne optyczne Metody skanowania

wspornik: Jak największa twardość k < 10 N/m Duża częstotliwość rezonansowa Jak najmniejsza masa (ng) sonda Jak najmniejszy promień krzywizny Duże L (od 3 do 15 µm) Duże L/x (10:1)

Si, Si3N4, rzadziej diament Kształt: prostokątne, V, X Wykonywane metodą PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)

Metody produkcji: Sondy osadzane na wsporniku bądź zintegrowane z nim w czasie produkcji Si, Si3N4 lub diament trawienie CVD FIB (przy pomocy wiązki jonów) EBD (wiązka elektronów) Sondy z nanorurek

Sonda wykonywana razem ze wspornikiem Produkcja przemysłowa Mogą być ostrzone przez utlenianie

Produkcja sond o wysokim L/x Efektywne obrazowanie stromych struktur Ostrzenie sondy krzemowej przy pomocy wiązki jonów (FIB) lub elektronów (EBD)

Osadzenie nanorurki węglowej na końcu sondy Bardzo wysokie rozdzielczości (pojedyncze atomy)

Wymagania Odporność na zakłócenia Duża czułość Metody Tunelowanie (STM) Pojemnościowa Piezorezystywna Optyczna

Cztery elementy piezorezystywne w układzie mostka Wheatstone'a Odkształcenie wspornika powoduje zmianę rezystancji Temperatura nie wpływa na pomiar

Możliwość stosowania różnych interferometrów Czułość zależna od długości fali światła

Dwa tory sygnału referencyjny i pomiarowy

Obróbka materiału na poziomie atomowym (STM) Atomy żelaza na powierzchni miedzi (111) Po japońsku słowo atom http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/atomo.html

Obrazowanie struktury molekularnej, atomowej oraz profilu powierzchni Badanie zjawisk powierzchniowych, takich jak adsorpcja, adhezja, kohezja, desorpcja, gromadzenie się powierzchniowego ładunku elektrycznego, a także zjawiska zachodzące tuż przy powierzchni, takie jak dyfuzja i przepływ

Obrazowanie 3D

Sporządzanie mikroskopowych rozkładów sił tarcia (AFM) Sporządzanie przestrzennych rozkładów magnetyzacji i ładunku elektrycznego (AFM) Nanolitografia (AFM) Technika lokalnego elektrycznego utleniania sondą ultra cienkiej warstwy tytanu na podłożu krzemowym

Przemysł materiałów optycznych, półprzewodnikowych oraz magnetycznych nośników pamięci (AFM) Powierzchnia CD oraz DVD

Badanie organizmów żywych, np. bakterii (AFM) Agregacje okrągłych i liniowych plazmidów DNA. Obraz uzyskany w alkoholu. Bakteria Pseudomonas.

http://www.ambiostech.com/ USPM Q-Scope

http://www.novascan.com/ FUNKCJE: ESPM 3D AFM Obrazowanie i pomiary w cieczy lub powietrzu Obrazowanie i przetwarzanie obrazów 3D w czasie rzeczywistym Możliwość badania miękkich próbek Optyczny dostęp do próbki z dowolnej strony OPTICAL AFM

http://www.parkafm.com / XE-70 AFM XE-100 AFM XE-200 AFM

http://www.nanoscience.com/ Nanosurf Nanite Automated AFM Nanosurf easyscan 2 AFM / STM Nanosurf Mobile S AFM

http://www.nanoscience.com/ Nanosurf EasyScan 2 STM Nanosurf EasyScan 2 AFM

http://www.rhk-tech.com/ Prosta wiązka lasera (bez użycia luster) Intuicyjne ortogonalne wyrównanie lasera Głowica skanująca do i detektora położenia PSD mikroskopu AFM Wierny pomiar siły tarcia Obrazowanie niskoprądowe (< 1pA dla pasma 5kHz) Głowica skanująca do Wysoka prędkość skanowania (3 klatki / s) mikroskopu STM Doskonała stabilizacja termiczna i mechaniczna

USM 1100 Ultrahigh Vacuum SPM system Topografia molekuł cynchoniny na platynie Pt (100) Temperatura: pokojowa Rozmiar: 25nm x 25nm USM 1500 UHV LT SPM System

http://www.dme-spm.com/ Skanery AFM z serii DualScope DS 95 Narzędzie do montowania Wymiana ramienia jest ramienia z umocowaną sondą niezwykle prosta

Springer Handbook of Nanotechnology Gerard J. Milburn, Inżynieria kwantowa, Prószyński i S-ka, Warszawa 1999 Atomic Force Microscopy Basics, Imaging Technology Group Beckman Institute for Advanced Science and Technology University of Illinois (animacje) The Opensource Handbook of Nanoscience and Nanotechnology, http://en.wikibooks.org/wiki/nanotechnology (ilustracje) How an STM works, Michael Schmid, Institut für Allgemeine Physik, TU Wien (animacja) Wikipedia, http://pl.wikipedia.org/ Artykuł: Skaningowa mikroskopia tunelowa STM, Inż. Krzysztof Juszczyk, Wydział Elektroniki, Informatyki i Telekomunikacji Uniwersytetu Zielonogórskiego; Fragmenty pracy dyplomowej : http://www.ostm.umcs.lublin.pl/; http://webphysics.davidson.edu/alumni/jocowan/stm/stmintro.htm ; Inne serwisy internetowe związane z tematem.

Dziękujemy za uwagę