RASTROVACIA SONDOV

1
RASTROVACIA SONDOVÁ MIKROSKOPIA

• Andrej PLECENIK
• Katedra experimentálnej fyziky
• FMFI UK v Bratislave

2
Tunelový rastrovací mikroskop Binning a Rohrer -
1981 IBM Zürich Research Laboratory, Rüschlikon,
Švajciarsko
Prvé zariadenie, pomocou ktorého bolo možné
zmapovat trojdimenzionálne povrch vodivých tuhých
látok s atómovým rozlíšením
1986, t.j. iba pät rokov po svojom objave
Nobelová cena za fyziku
Princíp Rastrovacieho tunelové mikroskopu je
založený na fundamentálnom jave kvantovej
mechaniky známeho už na zaciatku 20-tého storocia
pod pojmom tunelový jav.
3

• vysvetlenie rozpadu jadier tažkých prvkov - ?
  castice (Gamov 1928),
• ionizácie atómu vodíka v externom elektrickom
  poli (Oppenheimer 1928),
• studenej emisie elektrónov z kovov (Fowler a
  Nordheim 1928),
• tunelového javu v spojoch kov - vákuum kov
  (Frenkel 1930) a v spojoch kov - izolátor kov
  (Somerfeld a Bethe 1933),
• vysvetlenie princípu cinnosti tunelovej diódy
  (Esaki 1957)
• podanie experimentálneho dôkazu hustoty stavov
  supravodicov (Giaver 1960).

4
Názov mikroskopickej metódy Name of microscopic method Akronym Engl. Typ interakcie hrotu sondy a povrchu

Rastrovací tunelový mikroskop Scanning Probe Microscope STM Tunelový jav
Rastrovacia tunelová spektroskopia Scanning Tunneling Spectroscopy STS Tunelový jav

Atómový silový mikroskop Scanning Atomic Force Microscope AFM Medziatómové silové pôsobenie medzi hrotom a povrchom
Magnetický silový mikroskop Scanning Magnetic Force Microscope MFM Pôsobenie magnetických síl medzi magnetickým hrotom sondy a magnetickým povrchom materiálu
Elektrostatický silový mikroskop Scanning Electrostatic Force microscope EFM Pôsobenie elektrostatických sil medzi hrotom sondy a povrchom materiálu
Laterálny silový mikroskop Scanning Lateral Force Microscope LFM Ako AFM s dodatocným pôsobením aj laterálnych síl na hrot sondy
Rastrovací teplotný mikroskop Scanning Thermal Microscopy SThM Meranie teploty povrchov materiálov

Rastrovací blízkopolový optický mikroskop Scanning Near Field Optical Microscope SNOM Interakcia optického žiarenia s povrchom v submikrometrovej oblasti
5
Výpocet pravdepodobnosti prechodu elektrónu cez
potenciálovú bariéru
6
Hustota stavov
- pocet stavov na jednotkovú oblast energie
Hustota stavov
7
(No Transcript)
8
TUNELOVÝ PRÚD ZÁVISÍ EXPONENCIÁLNE OD HRÚBKY
TUNELOVEJ BARIÉRY (VZDIALENOSTI HROTU OD POVRCHU
VZORKY) !!!
Schematické znázornenie posuvu hrotu nad skúmaným
povrchom pomocou troch piezokryštálov.
9
Princíp rastrovania v móde konštantného
konštantnej výšky (a) a konštantného prúdu (b)
V móde rastrovacieho tunelového mikroskopu iba
vzorky s vodivým povrchom !!! Pozor na zmenu
hustoty stavov !!!
10
Rastrovanie povrchu v x-ovej a y-ovej osi.
Tunelový prúd je meraný iba v smeroch vyznacených
plnou ciarou.
Povrch grafitu snímaný pomocou Rastrovacieho
tunelového mikroskopu s atomárnym rozlišením a
znázornenie jednej rastrovacej dráhy hrotu
11
Typy skenerov
Piezoelektrická trubica
Tripod (trojnožka)
12

• Rozdelenie STM podla pracovného prostredia
• Vzdušný variant
• Pracuje na vzduchu pri teplote 300 K
• Kryogénny variant
• Pracuje v kryogénnych zariadeniach, zvycajne
  pri teplotách 4.2 K a nižšie s možnostou zmeny
  teploty až do 300 K.
• UHV variant
• Pracuje v UHV vákuovej komore pri tlaku do 10-10
  torr. V niektorých prípadoch je možné menit
  teplotu vzorky do 76 K, resp. 4.2 K

13
Kryogénny Rastrovací silový mikroskop
s antivibracným kryostatom Oxford Instruments
Optistat (vlavo) a detail hlavice Rastrovacieho
silového mikroskopu (vpravo)
Hlavica Rastrovacieho silového mikroskopu NT MDT
typ SOLVER P47 s optickým mikroskopom a CCD
kamerou pre justovanie laserového lúca vzdušný
variant.
14
Multifunkcné zariadenie Fy. Omicron
NanoTechnology a dva typy SPM hlavíc pracujúcich
pod UHV vákuom
15
Základné charakteristiky jednotlivých
mikroskopických metód
Profilo meter Optical Microscope Confocal Microscope SEM AFM
Rozlišovacia schopnost X, Y 1µm 0.5µm 170 nm 2 nm (0,1-3) nm
Rozlišovacia schopnost Z 1 nm N/A 500 nm N/A 0,01 nm
Pracovné prostredie vzduch vzduch, vákum, kvapaliny vzduch vákum air, liquid, gas, vacuum
Požiadavky na prípravu vzoriek malé malé malé velké žiadne
Zväcšenie 10 3 10 4 10 7 10 9
16
Meranie lokálnej hustoty stavov
- pocet stavov na jednotkovú oblast energie
Hustota stavov
17
Lokálna hustota stavov na Si
18
STM/STS MERANIE LOKÁLNEJ HUSTOTY STAVOV
19
Rastrovacie silové mikroskopické metódy
Binning s kolegami pokracoval vo výskume
rastrovacích techník a zistili, že v prípade
priblíženia hrotu na velmi malé vzdialenosti
k povrchu meranej vzorky sa zacínajú uplatnovat
medziatomárne sily
Atómový silový mikroskop Scanning Atomic Force Microscope AFM Medziatómové silové pôsobenie medzi hrotom a povrchom
Magnetický silový mikroskop Scanning Magnetic Force Microscope MFM Pôsobenie magnetických síl medzi magnetickým hrotom sondy a magnetickým povrchom materiálu
Elektrostatický silový mikroskop Scanning Electrostatic Force microscope EFM Pôsobenie elektrostatických sil medzi hrotom sondy a povrchom materiálu
Laterálny silový mikroskop Scanning Lateral Force Microscope LFM Ako AFM s dodatocným pôsobením aj laterálnych síl na hrot sondy
Rastrovací teplotný mikroskop Scanning Thermal Microscopy SThM Meranie teploty povrchov materiálov
20
ATÓMOVÝ SILOVÝ MIKROSKOP ATOMIC FORCE MICROSCOPE
Príprava hrotu
21
Metódy merania ohybu nosníka hrotu
Niekolko metód používaných pre meranie ohybu
nosníka s hrotom a) tunelová metóda, b)
interferometrická metóda, c) kapacitná metóda, d)
metóda merania odrazeného lúca a e) metóda
merania rozváženia Wheatstonového mostíka.
22
Princíp merania ohybu nosníka hrotu kvadrantovou
diódou
23
Metóda 1 statická 2 dynamická (oscilácia
hrotu)
24
Ovela citlivejšie metódy sú založené na oscilácii
držiaka hrotu a meraním zmeny jeho rezonancnej
frekvencie. Tieto metódy sú založené na zmene
gradientu sily F' dF/dn. Zmenou gradientu sily
sa mení aj efektívna konštanta pružiny (držiaku
hrotu), ktorá je daná ako ceff c-F', kde F' je
gradient sily v smere osi z, t.j. . V dôsledku
zmeny konštanty pružiny sa mení aj rezonancná
frekvencia systému Typické závislosti
amplitúdy A kmitov spružiny od frekvencie je na
nasledujúcom obrázku.
Pre dve castice s priemerom 10 nm (približne
priemer hrotu) a ich vzdialenosti d 10 nm
(zvycajná vzdialenost hrotu od povrchu ) je
minimálna detekovatelná zmena sily F 5x10-13 N
a citlivost je asi 5x10-13 m.
25
(No Transcript)
26
MAGNETIC FORCE MICROSCOPY

• - nekontaktná statická metóda
• nekontaktné metóda s vibráciou hrotu - s
  konštantnou frekvenciou
• - s fázovým závesom

27
ELECTROSTATIC FORCE MICROSCOPE (VOLTAGE FORCE
MICROSCOPE)
28
THERMAL FORCE MICROSCOPE
29
FORCE MODULATION MICROSCOPE
30
SNOM - Scanning Near-field Optical Microscopy
V roku 1870 Ernst Abbe rozlišenie dvoch
objektov v optickom mikroskope
t.j. rozlíšenie na úrovni 200 nm
SNOM rozlíšenie na úrovni 50 nm A. Lewis, M.
Isaacson, A. Harootunian and A. Murray,
Ultramicroscopy 13, 227 (1984) D.W. Pohl, W.
Denk and M. Lanz, APL 44, 651 (1984)
31
(No Transcript)