Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Badanie strutury powierzchni z atomową zdolnością rozdzielczą Obszar kryształu, dla którego nie da się zastosować trójwymiarowych równań opisujących własności.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Badanie strutury powierzchni z atomową zdolnością rozdzielczą Obszar kryształu, dla którego nie da się zastosować trójwymiarowych równań opisujących własności."— Zapis prezentacji:

1 Badanie strutury powierzchni z atomową zdolnością rozdzielczą Obszar kryształu, dla którego nie da się zastosować trójwymiarowych równań opisujących własności wnętrza. Powierzchnia – jak ją zdefiniować ? Definicja robocza 2-3 ostatnie warstwy atomowe

2 Technologie wykorzystujące zjawiska zachodzące na powierzchniach – drobne przykłady nośniki pamięci kataliza nowe materiały filtry adhezja utwardzanie tarcie zwilżanie generacja drugiej harmonicznej korozja Skala długości, nm zabarwienia materiałów światłowody kserograf mikroelektronika

3 Badanie strutury powierzchni z atomową zdolnością rozdzielczą dyfrakcja niskoenergetycznych elektronów (Low Energy Electron Diffraction) – LEED dyfrakcja odbiciowa wysokoenergetycznych elektronów (Reflection High Energy Electron Diffraction) – RHEED holografia elektronowa rozpraszanie jonów (Ion scattering spectroscopy - ISS kanałowanie jonów - channeling Informacja o symetrii powierzchni

4 Badanie strutury powierzchni z atomową zdolnością rozdzielczą mikroskop polowy – (Field Ion Microscope) - FIM skaningowy mikroskop tunelowy (Scanning Tunneling Microscope) – STM mikroskop sił atomowych (Atomic Force Microscope) – AFM Informacja o lokalnym otoczeniu – atomowa zdolność rozdzielcza

5 Czy elektrony mogą wydostać się ponad powierzchnię ? – praca wyjścia z metalu E F – poziom Fermiego Uproszczony model pasmowy metalu (bariera o wysokości ) Próżnia Metal

6 Wnikanie do bariery Na zewnątrz x < 0 H= -( 2 /2m) (d 2 /dx 2 ) Wewnątrz x 0 H= -( 2 /2m) (d 2 /dx 2 )+V Szukamy rozwiązań w postaci: dla x < 0 dla x 0 Wewnątrz bariery k jest urojone k=i więc D=0 Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu wewnątrz bariery (obszar B) - praca wyjścia z metalu Funkcja falowa elektronu nie kończy się na powierzchni metalu, lecz wnika do próżni. Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w próżni ~ exp(-2 x) A) B) Obszar A) Obszar B)

7 Metal w zewnętrznym polu elektrycznym W miarę oddalania się od powierzchni metalu elektron będzie odczuwał następujący potencjał V(z) V(z)=V metal + V obraz + V pole V pole = - E ·z V obraz = -1/(4 o ) e/(2z) Prawdopodobieństwo przejścia przez barierę liczone w metodzie WKB E – energia kinetyczna cząstki o masie m V(z) – energia potencjalna elektronu z c – szerokość bariery 0 – efektywna wysokość bariery (można ją znaleźć z warunku V(z 0 )) E F – położenie poziomu Fermiego E - E z

8 Przejście przez barierę – inne podejście na zewnątrz bariery wewnątrz bariery Dla x 0 Dla x a Dla 0 x a (x) i d /dx muszą być ciągłe w x=0 i w x=a Ostatecznie otrzymujemy, że współczynnik przejścia Warunki brzegowe: D=0 bo brak ruchu w kierunku –x o obszarze C, gdzie F=0 by V = ( )/2 C A B

9 Prawdopodobieństwo tunelowania Prawdopodobieństwo tunelowania P dla a >> 1

10 Równanie Nordheima Dokładną gęstość prądu tunelowania j można wyliczyć z zależności j=1.54x10 -6 E 2 / t 2 (y) exp[-6.83x10 7 3/2 f(y)/ E ] gdzie f(y) jest stabelaryzowaną funkcją bezwymiarowego parametru y y= e 3/2 E 1/2 / Powyższe równanie można zapisać w postaci I = a U 2 exp(-b 3/2 /cU) Gdzie a,b,c są stałymi, I prądem emisji, a U przyłożonym napięciem.,

11 Jak uzyskać duże E ? E ~ q/r 2 dla r R 0 R 0 i r 0 E Szukamy elektrod o ostrych końcach

12 Mikroskop polowy Powiększenie M =D/d M =L/R 0 = 15 cm/10nm Elektrony będą emitowane z miejsc, w których potencjał szybko się zmienia, czyli np. z okolic, gdzie występują defekty, czy też gdzie ulokowane są atomy.

13 Co się stanie, gdy w pobliżu powierzchni próbki umieścimy sondę ? Prawdopodobieństwo tunelowania P dla a >> 1 Sonda Próbka, gdzie

14 Prąd tunelowy – przypadek ogólny Model ostrza z falą typu s gdzie odległość [d] w Å, a średnia praca wyjścia [ ] w eV Cała informacja o strukturze elektronowej siedzi w gęstości stanów elektronowych próbki sa, Odległość ostrze-próbka ( Å ) Prąd tunelowy ( jednostki umowne)

15 Spektroskopia STM Korzystając z mikroskopu STM można określić gęstość stanów badanej powierzchni. Jeżeli element macierzowy przejścia jest stały, prąd tunelowania I można przybliżyć wyrażeniem: E F – energia Fermiego, U – napięcie na próbce. Pochodna dI/dU pozwala wyznaczyć gęstość stanów na poziomie E F -eU Zmieniając U badamy kształt pasm

16 Przepływ elektronów Kierunek przepływu elektronów zależy od polaryzacji próbki Próbka spolaryzowana ujemnie Próbka spolaryzowana dodatnio

17 Jak zbudować mikroskop ? Mikroskop skaningowy musi posiadać: Ostrze Układ umożliwiający precyzyjne przesuwanie ostrza Układ umożliwiający tłumienie drgań.

18 Ostrze j p - prąd tunelowy ( nA); uśredniona praca wyjścia elektrody i ostrza ( kilka eV ). A ~ eV -1/2 Å -1 U - napięcie pomiędzy podłożem i ostrzem ( kilka V ) d - odległość ostrza od podłoża ( ~ Å ) Ostrze Przypadek idealny Przypadek rzeczywisty Za względu na silną zależność prądu tunelowania od odległości, jedynie atom znajdujący się najbliżej powierzchni jest aktywny.

19 Jak przesuwać ostrze ? Odkrywcy: 1880 Piotr i Paweł Curie Przy ściskaniu lub rozciąganiu niektórych kryształów na ich krawędziach pojawiają ładunki elektryczne. Materiały piezoelektryczne: kwarc, turmalin, sól Saignettea, tytanian baru, piezoceramiki Pb(Ti,Zr)O 3 (PZT) i inne. Komórka elementarna kwarcu SiO 2 (wiązanie jonowe) Si O Zjawisko piezoelektryczne

20 Kwarc Przesunięcie jonów spowodowało, że na ściankach kryształu prostopadłych do osi X 1 wydzielił się ładunek Podobne efekt pojawi się, gdy kryształ ściśniemy wzdłuż osi X 2 i X 3. Przyłożenie zewnętrznego pola elektrycznego wymusi ruch jonów krzemu i tlenu, a tym samym zdeformuje kryształ Przyłożenie napięcia elektrycznego U powoduje odkształcenia kryształu x i x i = U

21 Skaner 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. Odkształcenia x i są w pewnym zakresie proporcjonalne do przyłożonego napięcia U x i = U = Å / V

22 Tłumienie drgań Aby uzyskać atomową zdolność rozdzielczą odległość pomiędzy ostrzem a próbką musi być utrzymywana z dokładnością 0.01 Å. Należy wyeliminować drgania !!!! Drgania mogą być powodowane przez: Drgania można eliminować poprzez: zawieszenie mikroskopu na sprężynach ( z dodatkowym tłumieniem przy pomocy prądów wirowych) pneumatyczne podpórki izolujące zwiększenie masy własnej podstawy. wibracje budynku Hz biegnących ludzi 2-4 Hz pompy próżniowe dźwięk.

23 Skaningowy Mikroskop Tunelowy Stacjonarny uchwyt na próbki Uchwyt ma próbkę 10 m skaner piezoelektryczny Inercyjny układ transportu Izolacja drgań 8 calowa flansza UHV Pracownia układów mezoskopowych Zakładu Fizyki Doświadczalnej UJ

24 Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM)

25 STM

26 STM mechanika

27 Transmisyjny mikroskop elektronowy (TEM)

28

29 Mody pracy Mod stałoprądowy Skaner zmienia odległość pomiędzy ostrzem a próbką w taki sposób, aby prąd tunelowania był stały. Mierzone jest napięcie przyłożone do elementów piezoelektrycznych. To napięcie jest następnie przeliczane na zmianę długości tych elementów. Ten sposób pracy jest zalecany, gdy nie znamy morfologii próbki lub, gdy powierzchnia jest silnie pofałdowana

30 Mody pracy Mod stałonapięciowy Odległość pomiędzy ostrzem a próbką jest stała. Mierzone są zmiany prądu tunelowego. Ten sposób pracy jest zalecany, gdy badamy gładkie powierzchnie. Ze względu na silną zależność pomiędzy prądem tunelowania a odległością igła-próbka, przy tym sposobie pracy osiąga się dużą rozdzielczość. Uwaga: Łatwo uszkodzić igłę.


Pobierz ppt "Badanie strutury powierzchni z atomową zdolnością rozdzielczą Obszar kryształu, dla którego nie da się zastosować trójwymiarowych równań opisujących własności."

Podobne prezentacje


Reklamy Google