Közeltéri mikroszkópiák

1. Közeltéri mikroszkópiák Dr. Mizsei János Reichardt András

2. Bevezetés • „There's Plenty of Room at the Bottom”[Richard P. Feynman, 1959.12.29.] [http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html] • Manipulációs és vizsgálati módszerek szükségesek

3. Pásztázó (felület)vizsgálat – általános meggondolás • Vizsgált tárgy (felületi) felépítésének és/vagy egyéb tulajdonságának vizsgálata • A felület egy pontjában vizsgálat elvégzése • A felület mentén pásztázó (scanning) mozgás vagy a tárgy pásztázó mozgatásával a teljes vizsgált terület lefedése • A pontonkénti vizsgálat eredményének összerakása

4. Közeltéri– általános meggondolás • gerjesztés mikrotartományban (közeltér), az analízis globálisan • gerjesztés globálisan, az analízis mikrotartományban (közeltér) • a gerjesztés is és az analízis is közeltéri

5. Gyűjtemény SEM: scanning electron microscope STM: scanning tunneling microscope AFM: atomic force microscope contact AFM non contact AFM dynamic contact AFM AFEM: atomic force electrolimunescence microscope MFM: magnetic force microscope EFM: electroscatic force microscope SVM: scanning voltage microscope KPFM: kelvin probe force microscope SCM: scanning capacitance microscope FMM: force modulation microscope SThM: scanning thermal microscope NSOM: near-field scanning optical microscope

6. Pásztázó elektronmikroszkóp (nem közeltéri ?) Elvi működés – gerjesztési körte - válaszjelek Szekunder elektronok Visszaszórt elektronok

7. Pásztázó elektronmikroszkóp

8. Pásztázó elektronmikroszkóp: SE képek

9. Pásztázó elektronmikroszkóp Visszaszórt elektronok detektálása: (detektor: pn átmenet, csak az épp felé repülő elektronokat látja) repedés SE kép

10. Pásztázó Alagút MikroszkópScanning Tunneling Microscope • G. Binnig (1947) és H. Rohrer (1933)IBM Research Institut, Zürich, 1982 • 1986, Nobel-díj "for their design of the scanning tunneling microscope" [http://nobelprize.org/physics/laureates/1986/index.html] (1986, Ruska (sz. 1906, m. 1988) – az elektronoptika terén elért eredmények és az első elektronmikroszkóp megalkotásáért)

11. STM - alapelv • Hegyes fémtűt (tip) a felülethez elég közel elhelyezni • Az alagútáramot a felület és a tű között mérni • A mért árammal a felület és a tű távolságát visszaszabályozni

12. STM - alapelv Fémek esetén – összeérintéskor a Fermi-szintek beállnak Külső tér segít az alagutazásban

13. STM – felépítés Vázlatos felépítés és egy lehetséges elhelyezés

14. STM – kezdetek Si(111) – 7x7 struktúra (Stairway to Heaven)

15. STM - problémák Megvalósítás során megoldandó problémák : • Zajvédelem • Mechanikai • Elektronikai • Piezo mozgatás • STM tű

16. STM – mechanikai zajvédelem • 1%-nál kisebb mechanikai zaj az áramban [<1pm] • épület rezgési amplitúdója 100 pm • többszörös csillapítás Binnig, Rohrer : „building the microscope upon a heavy permanent magnet floating freely in a dish of superconducting lead”

17. STM – piezo mozgatás Minta/fej mozgatás piezo „motoros” megoldással Nagy méret, így kis rezonancia Jelentős nem-linearitás Kompakt méret Hosszával csökken a torzítás

18. STM - tű Az alagútáram exponenciális jellege miatt a tű kialakítása lényeges. Ideális esetben egyatomos a hegy. Hegyes tű Tompa tű

19. STM tű • Elektrokémiai marással NaOH-val

20. STM – a tű szerepe

21. STM – mérési módok • Állandó magasságú • Állandó áramú

22. Egy-dimenziós alagút átmenet Egy-dimenziós fém-vákuum-fém alagút átmenet: a minta és a tű végtelen félterekkel vannak modellezve

23. Alagút áram – 1. megközelítés Fém-vákuum-fém alagút átmenet: Schrödinger egyenlet megoldása: ,ahol I = alagút áram ρs = lokális állapotsűrűség V = a tű feszültsége W = gát szélessége Tipikusan φ ~ 4eV → k ~ 1 Å-1 → az áram e2-tel csökken ~ 7,4x / Å

24. Bardeen alagút elmélet A csatolt rendszerre (a) vonatkozó Schrödinger egyenlet megoldása helyett, a perturbációs elmélet alkalmazása. Két szabad alrendszerből kiindulva az alagút áram kiszámítható a hullámfüggvények átfedéséből, a Fermi aranyszabály alkalmazásával.

25. Alagút áram – 2. megközelítés Feltételezzünk két egymást átfedő hullámfüggvényt a gát két oldalán: A Fermi aranyszabály alapján (feltételezve, hogy kT << a mérés energia felbontása) Egy free electron metal tip-re ρt állandó:

26. STM berendezés Mérés zavaró potenciál jelenlétében

27. STM – felvételek 1. • Korall – (corral: karám, cserény) Cu(111) felületen Fe atomokkal (48 db) kialakított struktúrad=71.3 Angstrom Állóhullámok az állapotsűrűség mintázatban (psi^2) – a karámba zárt hullámfüggvény. IBM Almaden Research Institute, www.almaden.ibm.com

28. STM – felvételek 2. • Pt(111) felület IBM Almaden Research Institute, www.almaden.ibm.com

29. STM – felvételek 3. • Cr szennyező-atomok a Fe(001) felületen - kicsiny „hupplik” [NASA]

30. STM – felvételek 4. SnO2-Pd gázérzékelő felület megváltozása H2 adszorpció hatására

31. STM – felvételek 5. UHV STM kép: GaAs, donor, vakancia UHV STM kép: Si <100> felület

32. STM – atomi manipuláció • Kanji jel • Értelme : „atom” • Irodalmi fordításban : „eredeti gyerek” („original child”) • Media : Iron on copper(111) IBM Almaden Research Institute, www.almaden.ibm.com

33. STM – atomi manipuláció • Korall „kép” előállításának lépései IBM Almaden Research Institute, www.almaden.ibm.com

34. STM – atomi manipuláció • Variációk egy témára,azonban a legszebb az eredeti „korall”!

35. STM – SEM összehasonlítás Variációk egy témára Forrókatód, geometriailag távol Hidegkatód

36. Pásztázó Atomerő Mikroszkópia - Atomic Force Microscope • C. Binnig, 1986 [Binnig, G., Quate, C.F., and Gerber, Ch. (1986) Atomic force microscope. Phys. Rev. Lett. 56(9), 930-933] • Nem szükséges minta előkészítés • Nem csak vezető minta • Nem-vákuumos • Valódi 3D • Sematikus felépítés [http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_force_microscope]

37. AFM - alapelv • A tű által érzékelt erőhatás mérése – atomi távolságra a felülettől Taszító erőhatás Lenard-Jones potenciál Vonzó erőhatás

38. AFM – alapelv / felépítés Részegységek : • Lézerforrás • Tükör • Fotodetektor • Erősítő • Vezérlő el. • Minta és piezomozgató • Tű • Cantilever

39. AFM – mérési módok • Contact – Erő nagyságának állandóan tartása • Non-contact (dynamic) – rezonancia frekv. környéki rezgetés – a rezgést a tű-felület kölcsönhatás megváltoztatja<kisebb nyíró hatás a mintára mint contact-nál> • - frekvencia modulálás – minta karaktere • - amplitúdó moduláció – topográfia (intermittent contact or tapping mode)(fázis változás : anyagtípus azonosítás)

40. Contact vs. Noncontact • Noncontact: ~50 mV érzékenység, ~50 nm felbontás • Contact: ~1 µV érzékenység, ~ 5 nm felbontás, ~0,01 ms válaszidő

41. AFM – tű (tip) • Néhány tű Normal tip (3 um) 30 nm lekerekítési sugár Ultralever (3 um) 10 nm lekerekítési sugár Supertip

42. AFM – tű (tip) Tűkészítés:

43. Folyadék cella AFM-hez Folyadékcella elektrokémiai vizsgálatokhoz

44. AFM berendezés

45. AFM – a tű hatása • Broadening – a tű széle hamar ér a vizsgált mintához • Compression – puha minta (pl. DNA) összenyomja a mintát • Interaction forces – megváltozik a kölcsönható erő • Aspect ratio – hirtelen/ugrásos minta esetén [1] [2] [1,2 http://spm.phy.bris.ac.uk/techniques/AFM/]

46. AFM – a tű hatása: műtermékek

47. AFM – felvételek 1. clusters on terraces. Non-contact. from [http://www.physics.purdue.edu/nanophys]

48. AFM – felvételek 2. • Szén nanocsövek a felületen Katholieke Universiteit Leuven [http://www.fys.kuleuven.ac.be/vsm/spm/gallery.html]

49. AFM – felvételek 3. Patkány hippocampus egy részlete – élő neuron és glia Antibody modified tips – measure or localise antigens on the surface of a cell [E. Henderson, Prog. Surf. Sci. 46, 1, 39-60 (1994)]. [http://www.sst.ph.ic.ac.uk/photonics/intro/AFM.html]

50. AFM – felvételek 4. TappingMode AFM image of epitaxial gold nanocrystals grown on a mica substrate by vapor deposition. Eash crystal is roughly 100 atoms, or 30 nm high. Although to the eye there appears to be a continuous gold film on the mica, the sample is nonconductive since the crystals do not make contact. [D. Barlow, Washington State University]