Mikroskopie skaningowe

Podobne dokumenty
Mikroskopie skaningowe

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

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

Podstawy fizyki wykład 2

Mikroskop tunelowy skaningowy Scaning tuneling microscopy (STM)

Wykład 21: Studnie i bariery cz.2.

Skaningowy mikroskop tunelowy STM

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

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

Studnie i bariery. Fizyka II, lato

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

Wykład 21: Studnie i bariery

Równanie falowe Schrödingera ( ) ( ) Prostokątna studnia potencjału o skończonej głębokości. i 2 =-1 jednostka urojona. Ψ t. V x.

Układ okresowy. Przewidywania teorii kwantowej

Wykład 21: Studnie i bariery

Fizyka klasyczna. - Mechanika klasyczna prawa Newtona - Elektrodynamika prawa Maxwella - Fizyka statystyczna -Hydrtodynamika -Astronomia

1 k. AFM: tryb bezkontaktowy

Struktura elektronowa

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

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

Wykład 9 Podstawy teorii kwantów fale materii, dualizm falowo-korpuskularny, funkcja falowa, równanie Schrödingera, stacjonarne równanie

Jak matematycznie opisać własności falowe materii? Czym są fale materii?

Wiązania. w świetle teorii kwantów fenomenologicznie

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

Oglądanie świata w nanoskali mikroskop STM

Jak matematycznie opisać własności falowe materii? Czym są fale materii?

Wykład Budowa atomu 2

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

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

Z. Postawa, Fizyka powierzchni i nanostruktury, Kraków

Elementy mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa co to jest? Fale materii hipoteza de Broglie'a Funkcja falowa Równanie Schrödingera

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

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

Atom wodoru w mechanice kwantowej. Równanie Schrödingera

PIERWIASTKI W UKŁADZIE OKRESOWYM

Mechanika kwantowa. Erwin Schrödinger ( ) Werner Heisenberg

Skaningowy mikroskop tunelowy

Chemia Ogólna wykład 1

M2 Mikroskopia sił atomowych: badanie nanostruktur.

Elementy mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa co to jest? Fale materii hipoteza de Broglie'a Funkcja falowa Równanie Schrödingera

RÓWNANIE SCHRÖDINGERA NIEZALEŻNE OD CZASU

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

Mikroskop sił atomowych

EMISJA POLOWA. przechwytywania obrazów wideo FAST Capture i kartą video AVMaster Video v.2.5. FAST Multimedia (wewnątrz komputera);

Wykład VI. Teoria pasmowa ciał stałych

Ładunek elektryczny. Ładunek elektryczny jedna z własności cząstek elementarnych

Informacje ogólne. 45 min. test na podstawie wykładu Zaliczenie ćwiczeń na podstawie prezentacji Punkty: test: 60 %, prezentacja: 40 %.

Elementy mechaniki kwantowej. Mechanika kwantowa co to jest? Funkcja falowa Równanie Schrödingera

Przewodność elektryczna ciał stałych. Elektryczne własności ciał stałych Izolatory, metale i półprzewodniki

Wykład III. Teoria pasmowa ciał stałych

Chemia nieorganiczna. Copyright 2000 by Harcourt, Inc. All rights reserved.

Półprzewodniki. złącza p n oraz m s

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

Promieniowanie X. Jak powstaje promieniowanie rentgenowskie Budowa lampy rentgenowskiej Widmo ciągłe i charakterystyczne promieniowania X

Mechanika klasyczna zasada zachowania energii. W obszarze I cząstka biegnie z prędkością v I, Cząstka przechodzi z obszaru I do II.

Chemia nieorganiczna. Pierwiastki. niemetale Be. 27 Co. 28 Ni. 26 Fe. 29 Cu. 45 Rh. 44 Ru. 47 Ag. 46 Pd. 78 Pt. 76 Os.

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

Elektryczne własności ciał stałych

Dr inż. Zbigniew Szklarski

PROJEKT STUDENCKIEGO SKANINGOWEGO MIKROSKOPU TUNELOWEGO

Studnie i bariery. Nieskończona studnia potencjału

Inne koncepcje wiązań chemicznych. 1. Jak przewidywac strukturę cząsteczki? 2. Co to jest wiązanie? 3. Jakie są rodzaje wiązań?

O manipulacji w nanoskali

M1/M3 Zastosowanie mikroskopii sił atomowych do badania nanostruktur

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

gęstością prawdopodobieństwa

Struktura energetyczna ciał stałych. Fizyka II, lato

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

Światło fala, czy strumień cząstek?

Czym jest prąd elektryczny

Mikroskopia skaningowa tunelowa i siłowa

Zakopane, plan miasta: Skala ok. 1: = City map (Polish Edition)

MIKROSKOPIA ELEKTRONOWA. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

AFM. Mikroskopia sił atomowych

Przerwa energetyczna w germanie

Wojewodztwo Koszalinskie: Obiekty i walory krajoznawcze (Inwentaryzacja krajoznawcza Polski) (Polish Edition)

FALE MATERII. De Broglie, na podstawie analogii optycznych, w roku 1924 wysunął hipotezę, że

Ćwiczenie 2: Elektrochemiczny pomiar szybkości korozji metali. Wpływ inhibitorów korozji

Jednowymiarowa mechanika kwantowa Rozpraszanie na potencjale Na początek rozważmy najprostszy przypadek: próg potencjału

BADANIA WARSTW FE NANOSZONYCH Z ELEKTROLITU NA BAZIE ACETONU

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

IX. MECHANIKA (FIZYKA) KWANTOWA

Równanie Shockley a. Potencjał wbudowany

DODATKOWE ĆWICZENIA EGZAMINACYJNE

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

Wykład 13 Mechanika Kwantowa

Elektryczne własności ciał stałych

i elementy z półprzewodników homogenicznych część II

POSTULATY MECHANIKI KWANTOWEJ cd i formalizm matematyczny

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Teorie wiązania chemicznego i podstawowe zasady mechaniki kwantowej Zjawiska, które zapowiadały nadejście nowej ery w fizyce i przybliżały

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 26, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Aparatura do osadzania warstw metodami:

Własności magnetyczne materii

PODSTAWY MECHANIKI KWANTOWEJ

STRUKTURA PASM ENERGETYCZNYCH

Stara i nowa teoria kwantowa

Układ okresowy. Przewidywania teorii kwantowej

Wykład 3: Atomy wieloelektronowe

Transkrypt:

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

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. 1960-1.000 $ paid to Bill McLellan, a ancient of Caltech for an engine miniature satisfying the conditions, but having required no technical innovation.. 1983, 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. 1985-1.000 $ 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 1/25,000. - 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

1985 35 Xe atoms On a Ni surface 110 9 atoms for the letter I and 13 for B and M each letter : 5 nm Encyclopedia Britannica : 40,000 pages 0,1 mm square

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).

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 1928- Gamov, Gurney, Condon: emisja - 1928- Fowler, Nordheim: emisja elektronu w polu elektrycznym. i f ( s, V, ) ZASTOSOWANIE 1958- Esaki, Giaver, Fisher, Josephson: spektroskopia tunelowania. Nobel 1973. 1981- Binning, Rohrer, Gerber, Weibel: mikroskopia tunelowania. Nobel 1986!

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

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.

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).

i tunelowania

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

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

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

TRYBY PRACY

STM stały prąd

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)

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

Pierwsze zdjęcia STM UHV

Zdjęcia STM cząsteczek organicznych (UHV)

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

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

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.

Zdjęcia STM cd.

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

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)

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

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

Spektroskopia tunelowania STS Esaki, Giaver, Fisher, Josephson,

CO man