Skaningowy Mikroskop Tunelowy Jarosław Mróz Rafał Guzik

Plan prezentacji wstęp budowa i zasada działania metody badania powierzchni napotykane trudności inne rodzaje mikroskopów skaningowych

wstęp Scanning Tunneling Microscopy – mikroskop skanujący powierzchnie przy wykorzystaniu efektu kwantowego tunelowania. Wymyślony przez G. Binning’a i H. Rohrer’a w 1981r. Nagroda Nobla w 1986r.

wstęp Było to pierwsze urządzenie pozwalające na obrazowanie powierzchni z atomową rozdzielczością.

budowa

zjawisko tunelowania Klasycznie: cząstka nie może przejść przez barierę o większej energii Kwantowo: istnieje prawdopodobieństwo, że cząstka przejdzie

zjawisko tunelowania jak można łatwo wykazać... prawdopodobieństwo tunelowania cząstki jest ekspotencjalnie zależne od szerokości bariery

wniosek? Nawet niewielka zmiana szerokości bariery – rzędu jednego A – daje zmianę prądu tunelowania o kilka rzędów wielkości.

budowa STM Złącze tunelujące formuje się pomiędzy próbką, a końcówką skanującą Aby zwiększyć prąd, przykłada się dodatkowe napięcie

budowa STM Aby skanować z wystarczająco dużą rozdzielczością wymagane są przesunięcia końcówki skanującej rzędu 1A. Przesunięcie tego typu zostało osiągnięte dzięki materiałom piezoelektrycznym.

efekt piezoelektryczny Efekt piezoelektryczny jest to zjawisko polegające na powstaniu pola elektrycznego pod wpływem deformacji materiału.

efekt piezoelektryczny Efekt odwrotny – deformacja materiału pod wpływem przyłożonego napięcia. Przyłożone napięcie powoduje skrócenie części rurki i przemieszczenie końcówki skanującej

pętla sprzężenia zwrotnego Kontroluje szerokość przerwy między końcówką, a przerwą. Gdy rośnie prąd tunelowy to napięcie w kierunku z maleje i na odwrót.

zasada działania

zasada działania Zarówno końcówka skanująca, jak i próbka muszą być metalami lub półprzewodnikami Najlepsze wyniki gdy końcówka zbudowana z pierwiastków typu s

metody badania powierzchni metoda stałego prądu – stała szerokość przerwy

metody badania powierzchni metoda stałej wysokości – położenie końcówki skanującej się nie zmienia.

Problemy poruszająca się głowica lub próbka pod głowicą „step-size” zależny od obszaru skanowania 10Å - 100μ 64 – 1024 point/line Jakie napotykamy problemy?

zdjęcia STM Fala stojąca lokalnej gęstości stanów na powierzchni Cu jest wynikiem rozpraszania dwu wymiarowego gazu elektronowego na atomach Fe.

zdjęcia STM powierzchnia metalu

zdjęcia STM nanolitografia

zdjęcia STM

Problem histerezy piezoelektryki = potencjał ↔ ruch skaner nie porusza się linowo do przyłożonego napięcia  problem z siatką punków punkty nie równomiernie rozłożone! zniekształcony obraz

linie nie pokrywają się ! Problem histerezy podnosimy napięcie od zero do wartości x, następnie zmniejszamy od x od zero linie nie pokrywają się ! dane zbieramy tylko w jednym kierunku, tzw. „fast-scan directions”

Problem „pełzania” (Creep) kiedy przyłożymy gwałtownie napięcie, piezoelektryk nie zmieni położenia od razu pełzanie: TCr → 10-100s powoduje to głównie błędy przy powiększeniu  spada szybkość powiększania  dostajemy cienie lub rozjaśnienia

Problem „pełzania” (Creep) ... czasem wystarczy odczekać te 100s lub wprowadzić poprawkę gdy zmieniamy powiększenie

Problem starzenia starzenie się materiałów piezoelektrycznych rośnie ekspotencjalnie gdy nie używany = dipole są losowo skierowane gdy używany = dipole ustawiają się w kierunku osi skanowania  głównie błędy rozmiarów

Problem „Cross coupling” pole elektryczne nie jest identyczne wzdłuż skanera konstrukcja piezoelektryka (zazwyczaj tuby)

Problem „Cross coupling”... powstają przekłamania obrazów w postaci uwypukleń kąt krzywizny możemy wyznaczyć

Korekcja błędów wszystkie zniekształcenia da się wykluczyć I. Software Correction wszystkie zniekształcenia da się wykluczyć zazwyczaj algorytmy komputerowe wyliczają napięcie kompensując w każdym skanowanym punkcie błąd kalibracja + software correction kalibracja zawsze gdy warunki skanowania się zmienią

Korekcja błędów... II. Hardware Correction aktualna pozycja jest porównywana z dodatkowymi czujnikami pozycji dzięki temu skaner może być prowadzony po linii prostej czujnik muszą być niezależne od STM poprawiają wszystkie powyższe błędy pomiaru (histerezę, starzenie, cross coupling)  zmniejszają nieliniowość do 1%

Wytwarzanie igły i wspornika wspornik (cantilevers) ← do 100μm długości igła (tip) 3μm wysokości

Atomic Force Microscope (AFM) Mikroskop Sił Atomowych 1986 r. G.Binnig, C.Quate, Ch.Gerber do obrazowania powierzchni służą siły oddziaływania międzyatomowego umożliwia obrazowanie powierzchni izolatorów niedostępnych dla STM detekcja ruchów ostrza w pionie ostrze przytwierdzone do wspornika, umożliwia wyznaczenie siły

(AFM)... bezkontaktowy sposób obrazowania ostrze na odległość 10 - 100 nm - wykorzystujemy do obrazowania siły długozasięgowe wspornik przenosi drgania kontaktowy sposób obrazowania - nacisk ostrza na powierzchnię wynosi od 10–7N do 10–11 N - w tym trybie wykorzystujemy krótkozasięgowe siły oddziaływania międzyatomowego

Magnetic Force Microscope (MFM) Mikroskop Sił Magnetycznych mikroskop, w którym ostrze pokryte cienką warstwą ferromagnetyka umożliwia obrazowanie powierzchni zmiany wysokości są indukowane przez zależność pola magnetycznego od odległości ostrza bity na dysku - 30μm

Inne mikroskopy Mikroskop sił bocznych (Lateral Force Microscope, LFM) Mikroskop siły tarcia (Friction Force Microscope, FFM) Skaningowy mikroskop fazowy (Phase Detection Microscope, PDM) Mikroskop siły elektrostatycznej (Electrostatic Force Microscope, EFM) Skaningowy mikroskop termiczny (Thermal Scanning Microscope, TSM) Skaningowy mikroskop pojemnościowy (Capacitance Scanning Microscope, CSM) Środowiskowy AFM (Environmental AFM) Elektrochemiczny AFM (Skaningowy Mikroskop Elektrochemiczny)

podsumowanie Pierwsze urządzenie pozwalające z taką dokładnością uzyskiwać obrazy powierzchni. Potrafi badać takie właściwości powierzchni jak przewodność, rozkład ładunku statycznego, pole magnetyczne

Dziękujemy za uwagę