Nanosystemy informatyki podpatrywanie „nano” Nowak Sławomir Na podst: Mikroskop tunelowy skaningowy Scaning tuneling microscopy (STM) , Bolesław AUGUSTYNIAK, http://mif.duo.netstrefa.pl/badstruk_files/STM.pdf STM, AFM – Mikroskopy ze skanującą sondą. http://www.inmat.pw.edu.pl/zaklady/zpim/Mikroskopy_STM_AFM.pdf Fizyka stosowana wykład Prauzner-Bechcicki (http://chaos.if.uj.edu.pl/~jaqb/edukacja/w06_07) Obrazowanie i analiza pomiarów skaningowym mikroskopem tunelowym STM, http://www.ostm.umcs.lublin.pl/content/view/23/46/ Metody badania powierzchni ciała stałego - systematyka, porównanie, zastosowanie, Krzysztof Kowalczyk 134489, Politechnika Wrocławska

Podpatrywanie nano… Bez zdolności „patrzenia” na obiekty w nanoskali, uzyskanie znaczących postępów w nanotechnologii byłoby bardzo trudne. Podpatrywaniu służą różne techniki: mikroskopowe, spektroskopowe, dyfrakcyjne, dzięki którym możliwy jest wgląd w strukturę materii.

Wzrok… Aby lepiej widzieć obiekty, możemy się do nich zbliżyć. Na podst: Fizyka stosowana wykład Prauzner-Bechcicki (http://chaos.if.uj.edu.pl/~jaqb/edukacja/w06_07) Aby lepiej widzieć obiekty, możemy się do nich zbliżyć. Ograniczenie to tzw. odległość dobrego widzenia (około 25 cm)

„Nieuzbrojone” oko nie dostrzega struktur mniejszych niż 100 µm. Aby więc „zobaczyć” stosuje się przeróżne instrumenty, techniki przetwarzania i filtrowania, w zależności co chcemy zobaczyć i jak to „coś” jest zbudowane”.

Techniki mikroskopowe Mikroskopy wykorzystują powiększanie do wytworzenia obrazu. Jako obraz nie rozumie się często tego, co normalnie widzą oczy, często są to różne rodzaje „sond”, wykorzystujących oddziaływania fizyczne, tworzące obraz funkcji tego oddziaływania w zależności od położenia. Stanowi on podstawę do wytworzenia OBRAZU. Te oddziaływania mogą być bardzo „fizyczne” przy wykorzystaniu dźwigni lub igieł, wiązki promieni elektronowych, czy też coś zupełnie jeszcze innego.

Widmo elektromagnetyczne Widmo ciągłe Światło widzialne stanowi małą część rozległego widma elektromagnetycznego. Poszczególne punkty tego widma charakteryzują się wartościami pewnej zmiennej: długością fali. Jeśli długości fali są małe w porównaniu z rozmiarami urządzeń, które się za ich pomocą bada, możemy posługiwać się optyką geometryczną. Jeśli badane przedmioty „maleją”, trzeba uwzględnić falowy charakter promieniowania elektromagnetycznego. Dla fal o bardzo małej długości, których fotony mają dużą energię, wchodzimy w obszar zjawisk kwantowych.

Mikroskopy optyczne Wykorzystują światło Emitowane lub odbite od próbki światło jest następnie skupione na soczewce. Rozdzielczość mikroskopów optycznych może osiągać 200[nm]. Mikroskopy takie są stosunkowo niedrogie, mają niewielkie rozmiary i są łatwe w obsłudze.

Optyka - powiększanie

Optyka - powiększanie Ograniczenia: Aberracja sferyczna Aberracja chromatyczna Zdolność rozdzielcza Dwa różne źródła światła mogą być rozdzielone tylko wówczas, jeśli czasy przebiegu promieni skrajnych pomiędzy źródłami różnią się o więcej niż jeden okres. t2 – t1 > 1/v Najmniejsze przedmioty jakie można zauważyć mają więc w przybliżeniu rozmiary długości fali świetlnej

Optyka - powiększanie Zdolność rozdzielcza w praktyce zależy także od tzw. apertrury A i oświetlenia (kierunku) Na podst: Fizyka stosowana wykład Prauzner-Bechcicki (http://chaos.if.uj.edu.pl/~jaqb/edukacja/w06_07)

Fale materii Na podst: Fizyka stosowana wykład Prauzner-Bechcicki (http://chaos.if.uj.edu.pl/~jaqb/edukacja/w06_07)

Fale materii Na podst: Fizyka stosowana wykład Prauzner-Bechcicki (http://chaos.if.uj.edu.pl/~jaqb/edukacja/w06_07)

Mikroskopy elektronowe Przyspieszamy więc elektrony Na podst: Fizyka stosowana wykład Prauzner-Bechcicki (http://chaos.if.uj.edu.pl/~jaqb/edukacja/w06_07)

Mikroskopy elektronowe Na podst: Fizyka stosowana wykład Prauzner-Bechcicki (http://chaos.if.uj.edu.pl/~jaqb/edukacja/w06_07)

Mikroskopy elektronowe Na podst: Fizyka stosowana wykład Prauzner-Bechcicki (http://chaos.if.uj.edu.pl/~jaqb/edukacja/w06_07)

Mikroskopy elektronowe Na podst: Fizyka stosowana wykład Prauzner-Bechcicki (http://chaos.if.uj.edu.pl/~jaqb/edukacja/w06_07)

Elektronowe Mikroskopy Transmisyjne (TEM) Elektrony ze źródła są kierowane do bardzo cienkiej próbki, praktycznie przezroczystej dla wysokoenergetycznych elektronów (100-300keV). Strumień takich elektronów jest przesyłany na ekran fluorescencyjny lub obiektyw kamery aby można go było obserwować. Osiągana rozdzielczość może być rzędu 0.1[nm] dla najlepszych i najdroższych urządzeń tego typu. Warunkiem jest wspomniana „cienkość” próbek, typowo około 200[nm], a cały system musi pracować w warunkach wysokiej próżni, co ogranicza zakres zastosowań. Dzięki tym urządzeniom możliwe jest jednak obserwowanie struktur rzędu pojedynczych atomów.

Elektronowe Mikroskopy Transmisyjne (TEM) Pierwszy TEM

Elektronowe Mikroskopy Transmisyjne (TEM) Obraz atomów węgla uzyskanych za pomocą TEM

Skaningowe mikroskopy elektronowe (SEM) Skupiony strumień elektronów “omiata” próbkę, następnie wykrywane są elektrony emitowane przez powierzchnię. Próbki nieprzewodzące pokrywa się warstwą węgla lub złota aby zapobiec gromadzeniu się ładunku na powierzchni próbki Układ rejestruje elektrony odbite, lub wtórne (emitowane przez próbkę) Rozdzielczość może osiągać 4 [nm], próbki mogą być znacznie większe niż w TEM, gdyż strumień nie przenika przez próbkę.

Skaningowe mikroskopy elektronowe (SEM)

Skaningowe mikroskopy elektronowe (SEM) Przykładowy obraz z SEM – muszka owocówka.

Skaningowe mikroskopy elektronowe (SEM) Przykładowy obraz z SEM – pyłki kwiatów.

Skaningowe mikroskopy elektronowe (SEM) Przykładowy obraz z SEM – płatki śniegu.

Dodatkowe możliwości SEM Wykonywanie map pierwiastków

Dodatkowe możliwości SEM Analiza składu poszczególnych warstw

Mikroskopy skaningowe (SPM) SPM – przełom w nanotechnologii Dziecinnie prosta idea – „macanie próbek”

Mikroskopy skaningowe (SPM) SPM – przełom w nanotechnologii Dziecinnie prosta idea – „macanie próbek” Ponad próbką przesuwana jest bardzo cienka sonda, mikroskop rejestruje oddziaływanie pomiędzy sondą a próbką. Typowymi przykładami SPM są: AFM, STM i SNOM:

Wynalazek został wyróżniony nagrodą nobla z fizyki. Skaningowy Mikroskop Tunelowy został wynaleziony w 1981 r. w laboratorium IBM w Zurichu. Wynalazek został wyróżniony nagrodą nobla z fizyki. Dlaczego Szwajcaria jest liderem w dziedzinie mikroskopów skaningowych?

Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) Atomowych rozmiarów igła jest przesuwana w niewielkiej (rzędu atomów) odległości ponad próbką. Pomiędzy igłą a próbką przyłożone jest napięcie, które powoduje przepływ prądu tunelowego. Prąd ten jest następnie mierzony i wykorzystywany do wygenerowania obrazu. Obrazy uzyskane z STM są rzędu wielkości pojedynczych atomów. Próbka musi być jednak przewodnikiem prądu*). *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu.

Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) Efekt tunelowy jest efektem kwantowym przejścia cząstek (układów fizycznych) z jednego obszaru dozwolonego do innego obszaru dozwolonego przez oddzielającą barierę potencjału. Z punktu widzenia fizyki klasycznej zjawisko to jest zabronione. *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu.

Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu.

Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu. Efekt tunelowy Prąd tunelowy zależy w sposób wykładniczy od odległości między sondą a powierzchnią próbki. Kiedy odległość ta zmienia się o 10% (ok. 1 nm) to prąd tunelowy zmienia się o rząd wielkości.

Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu. Dwa tryby pracy urządzenia (stały lub zmienny prąd tunelowy )

Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) Problem oddziaływania Tunelowanie Urządzenie rejestruje nie tyle obraz powierzchni próbki, a raczej „powierzchnię prawdopodobieństwa tunelowania” *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu.

Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) Problem ostrza sondy *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu.

Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) Problem ostrza sondy *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu.

Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) Pozycjonowanie próbki wykorzystanie efektu piezoelektrycznego Przy ściskaniu lub rozciąganiu niektórych kryształów na ich krawędziach pojawiają się ładunki elektryczne. Podobnie więc przyłożenie napięcia elektrycznego U powoduje odkształcenia kryształu *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu.

Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu.

Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu. Pierwszy STM, opracowany w laboratoriach IBM

Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu. Przykład STM

Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu. Powierzchnia krzemu 10x10 nm

Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu. Obraz powierzchni grafitu (http://www.ifmpan.poznan.pl/zp7/program.html)

Skaningowe mikroskopy tunelowe (STM) *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu. Przykładowy obraz z STM

*) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu.

*) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu.

Mikroskop sił atomowych (AFM)

Mikroskop sił atomowych (AFM) Atomowych rozmiarów igła jest zamocowana na dźwigni i przesuwana po próbce. Jeśli igła ulega odkształceniu, strumień lasera ulega odbiciu od odkształconej w ten sposób dźwigni i odbicie to jest rejestrowane i mierzone w foto-detektorze. Za pomocą AFM można mierzyć zarówno kształt powierzchni próbki, jak też siłę oddziaływań atomowych. Rozdzielczość AFM sięga 1[nm] a próbki mogą mieć stosunkowo dowolny charakter (mogą być mokre, suche, przewodzące lub być izolatorami).

Mikroskop sił atomowych (AFM)

Mikroskop sił atomowych (AFM) Dwa tryby: kontaktowy bezkontaktowy Charakterystyczne oddziaływanie dla AFM to siły van der Vaals’a

Mikroskop sił atomowych (AFM) Pierwszy AFM

Mikroskop sił atomowych (AFM) Obrazy uzyskane przez AFM dla różnych próbek.

Mikroskop sił atomowych (AFM)

*) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu.

*) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu.

*) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu.

Optyczne mikroskopy tunelowe (SNOM) Podobnie jak w przypadku przewodników elektrycznych możliwe jest mierzenie prądu tunelowego, tak w materiałach przewodzących światło występuje zjawisko tunelowania optycznego. SNOM wykorzystuje spolaryzowana, wąską wiązkę światła, generowaną przez sondę, do mierzenia zmian pola elektromagnetycznego przy przesuwaniu sondy. Uzyskane rozdzielczości są znacząco niższe niż wynikające z długości fali światła, co stanowiło ograniczenie mikroskopów optycznych. *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu.

Optyczne mikroskopy tunelowe (SNOM) *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu. Zasada działania SNOM

Optyczne mikroskopy tunelowe (SNOM) *) ale da się to obejść, pokrywając próbkę cienką warstwą metalu. Obraz uzyskany w wyniku przetworzenia danych ze SNOM

Inne koncepcje: Mikroskopy o punktowej projekcji (Point-Projection Microscopes) The Field Emission Microscope (FEM), Field Ion Microscope (FIM) i Atom Probe Tomograph (APT) są przykładami mikroskopów, w których jony są wzbudzane i wykrywana następnie przez detektor. Najnowszym przykładem jest Atom-Probe Tomograph (APT), który umożliwia trzywymiarową obserwację atom po atomie (z identyfikacją chemicznych składników) z rozdzielczością mniejszą niż 1[nm]. Technika ta nadaje się do badania wyłącznie specjalnie preparowanych powierzchni metali i jest dość kłopotliwa i kosztowna.

Inne koncepcje: Mikroskopy o punktowej projekcji (Point-Projection Microscopes) Zasada działania PPM

Inne koncepcje: Mikroskopy o punktowej projekcji (Point-Projection Microscopes) Przykładowy obraz z PPM (cień obiektu badanego, obraz przetworzony matematycznie)

Inne koncepcje: Mikroskopy o punktowej projekcji (Point-Projection Microscopes) Aby uzyskać sub-nanometrową rozdzielczość potrzebne jest odpowiednio małe źródło emisji, także o rozmiarach sub-nanometrowych. Technika PPM daje potencjalne możliwości dalszego rozwoju, podczas gdy SPM osiągnęły już właściwie granice swoich możliwości.

Inne koncepcje: MFM (Magnetic Force Microscope) Obraz domen magnetycznych na powierzchni dysku (bity informacji).

Inne metody podglądania „nano” obejmują m. in Inne metody podglądania „nano” obejmują m.in. spektroskopię, dyfrakcję i inne.

Spektroskopia (analiza spektralna) Nauka o powstawaniu i interpretacji widm powstających w wyniku oddziaływań wszelkich rodzajów promieniowania na materię rozumianą jako zbiorowisko atomów i cząsteczek. Spektrometry są to urządzenia pokazujące jak promieniowanie oddziałuje na próbkę. Wyniki interpretuje się jako funkcje energii i długości fali tego promieniowania. Spektroskopia służy raczej badaniu składu chemicznego substancji niż ich struktury.

Spektroskopia - zasada Na podst: Fizyka stosowana wykład Prauzner-Bechcicki (http://chaos.if.uj.edu.pl/~jaqb/edukacja/w06_07)

Spektroskopia - zasada Budowa atomu determinuje widmo promieniowania emitowanego czy absorbowanego przez wzbudzony atom → możliwa jest więc identyfikacja składu pierwiastkowego Metodę wykorzystującą widmo jako podstawę analizy nazywamy spektralną analizą Na podst: Fizyka stosowana wykład Prauzner-Bechcicki (http://chaos.if.uj.edu.pl/~jaqb/edukacja/w06_07)

Spektroskopia - zasada Na podst: Fizyka stosowana wykład Prauzner-Bechcicki (http://chaos.if.uj.edu.pl/~jaqb/edukacja/w06_07)

Spektroskopia - zasada Na podst: Fizyka stosowana wykład Prauzner-Bechcicki (http://chaos.if.uj.edu.pl/~jaqb/edukacja/w06_07)

Spektroskopia

Spektroskopia Liniowe widmo emisyjne azotu

Dyfrakcja Dyfrakcja to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko najwyraźniej jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali. Dyfrakcja używana jest do badania fal, oraz obiektów o niewielkich rozmiarach, w tym i kryształów.

Dyfrakcja Wykorzystuje fale elektromagnetyczne do obserwacji rozproszonej wiązki tego promieniowania przy kontakcie z próbką. Dzięki tej metodzie można obserwować np. uporządkowania atomów w próbce. W świetle widzialnym dyfrakcję na warstwach można obserwować jako rozproszenie światła białego na powierzchni płyty CD, które rozdziela się na poszczególne barwy na granicach poszczególnych ścieżek.

Dyfrakcja LEED (Low Energy Electron Diffraction) obejmuje określenie przestrzennego rozkładu wiązek ugiętych i zmian tego układu w funkcji energii wiązki pierwotnej oraz pomiar natężenia wiązek ugiętych.

Dyfrakcja SI

Dyfrakcja RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction) wiązka elektronów o energiach od 5 do 50keV skierowana prawie stycznie względem próbki, obszar penetracji ograniczony został do kilku warstw atomowych.

Podsumowanie Mamy coraz szersze możliwości podglądania świata „nano”. Wymienione techniki nie wyczerpują wszystkich technologii oraz koncepcji. Są też techniki hybrydowe. Wyniki często dalekie są od tego co uważamy za „obraz”. Obrazy często tworzone są po złożonej, matematycznej obróbce wyników obserwacji.