KCH/NANTM

1. KCH/NANTM Přednáška 3 Analytické metody používané v nanotechnologiích

2. Obsah • Skenovací tunelová mikroskopie • Mikroskopie atomárních sil • Skenovací sondová mikroskopie

3. Tunelová mikroskopie • 1981 • Gerd Binning, Heinrich Rohrer • IBM Zurych • Neoptický mikroskop • Povrch vzorků o velikosti několika nm • Mikroelektronika (polovodiče) • Rozvoj nanotechnologií

4. Tunelová mikroskopie • Různé interakce s povrchem • Souhrnné označení rastrovací sondová mikroskopie (SPM, scanning probe microscopy) • Mikroskopie atomárních sil – i nevodivé materiály

5. SPM • Široká použitelnost • Zobrazení povrchu • Měření vlastností na atomární úrovni • Manipulace • Široká škála prostředí • Vzduch • Speciální atmosféra • Kapaliny • Vakuum • Nízké i vysoké teploty

6. SPM - principy • Pohyb sondy v těsné blízkosti povrchu (několik nm) • Velmi jemný pohyb sondy pomocí piezokrystalu • Prodloužení či smrštění v závislosti na napětí • Vysoké rozlišení - zabezpečení proti vibracím • Pojem zvětšení se nepoužívá • Obraz vytvářen na základě elektromechanické interakce sondy se vzorkem

7. SPM - principy • Skutečné rozměry je nutné kalibrovat • Sonda sleduje profil konstantní interakce pomocí zpětné vazby • Předměty zkoumání: • Kovy • Polovodiče • Molekuly • Polymery • Živé buňky

8. Skenovací tunelová mikroskopie

9. Skenovací tunelová mikroskopie (STM) • Mapování povrchu pomocí pohybu (rastrování) vodivým hrotem (sondou) nad vodivým povrchem materiálu. • Nevyžaduje složitou přípravu vzorku • Informace pouze o povrchu

10. STM • Kvantová teorie tunelového jevu v praxi • Jsou-li dva vodivé materiály v dostatečné blízkosti (ale ne v kontaktu), je pravděpodobné, že elektrony projdou z jednoho materiálu do druhého – tzv. tunelový proud • Velikost tunelového proudu závisí: • Exponenciálně na vzdálenosti • Na přiloženém napětí

11. STM - konstrukce • Mechanická část • Stolek k upevnění vzorku • Polohovací zařízení • Sonda • Elektrická část • Napájení • Zpětná vazba • Sběr signálu • Ovládání pohybu • Tlumení mechanických vibrací • Vakuová komora

12. STM - konstrukce • Sonda • Ostrý kovový hrot • Pohyb v řádcích • Řádově nm nad povrchem • Přiloženo napětí ze zdroje • Odsávání elektronů pronikajících přes potenciálovou bariéru na povrchu • Nastavení výšky hrotu • Piezoelektrický systém • Změny tunelového proudu – obraz lokální hustoty elektronů

13. STM - konstrukce • Sonda • Drobné nerovnosti – vysoký nárůst proudu • Ze signálu zpracována na základě teoretických modelů struktura povrchu • První mikroskopy – rozstřižený drát (1 nm) • V současnosti • Wolfram • Zlato • Pt/Ir

14. STM • Přednosti • Vysoké sub-atomární rozlišení • Zobrazování jednotlivých atomů • V okolí hrotu lze vytvořit silné elektrické pole – vytržení atomu z povrchu • Cílená manipulace • Nevýhody • Neposkytuje okamžitý vizuální obraz (obraz lokální hustoty elektronů) • V případě povrchu tvořeného jedním prvkem použitelné • Vyžaduje vodivý vzorek

15. STM

16. Mikroskopie atomárních sil

17. Mikroskopie atomárních sil (AFM) • Inovace STM • Zobrazení i pomocí 3D modelu • Mapování rozložení atomárních sil na povrchu • Velmi vysoké rozlišení – i jednotlivé atomy • 1986, G. Binnigem, C. Quat, C. Gerber

18. AFM

19. AFM • Neoptický mikroskop • Sonda mapující topografii vzorku • Umožňuje měření i nevodivých vzorků • Nevyužívá průchodu proudu • Malé kompaktní zařízení • Žádné speciální požadavky na umístění

20. AFM • Detekce vzdálenosti sondy od povrchu • Meziatomární síly • Deformace držáku sondy • Optická detekce • Softwarové zpracování dat • Další zjišťované vlastnosti • Tření • Odezva na působící sílu (bodová spektroskopie) • Magnetické vlastnosti • Tepelná vodivost

21. AFM

22. AFM • Hlavní prvek – raménko s hrotem • Délka hrotu: několik µm • Poloměr špičky: 10 – 50 µm • Síly krátkého dosahu • Několik nejbližších atomů hrotu a povrchu • Teoretické rozlišení – jednotlivé atomy

23. AFM • Hroty: • Křemík • Nitrid křemíku • Upevněná magnetická částice • Upevněná molekula • Raménko: • Důležitá pružnost • Odhad tuhosti • Nesmí poškodit hrot ani vzorek • Nižší než vazebná síla mezi atomy pevných látek • Vlastnosti dle aplikace

24. AFM

25. AFM – síly působící na hrot • Odpudivé síly • Krátkodosahové • Pauliho síla • Hrot je v kontaktu se vzorkem • Přitažlivé • Dlouhodosahové • Van der Waals (dipól-dipól)

26. AFM – síly působící na hrot • Celková síla může být odpudivá i přitažlivá • Závislost na vzdálenosti hrotu a povrchu • Síla způsobuje vychýlení hrotu z rovnovážné polohy • Deformace držáku • Detekce deformace laserovým paprskem • Zpětná vazba – možnost reakce na deformace

27. AFM • Pohyb ve všech třech osách piezokeramickými prvky • Vzorek připevněn na magnetický držák pod hlavou mikroskopu • Magnetické vzorky – drží • Nemagnetické vzorky – lepení oboustrannou páskou k podložce

28. AFM – požadavky na vzorek • Velikost musí odpovídat možnostem hlavy pro hrubé posuv ve vertikálním směru (cca 12 mm) • Makroskopicky rovný nebo vypouklý vzorek • Řádné upevnění vzorku • práškové materiály – lepení, lisování • měkké vzorky – biologické • Odrazivost • Příliš lesklé vzorky – snížení viditelnosti a orientace na monitoru • Interference v obraze

29. AFM – pracovní režimy • Oblast strmé části křivky – vysoká citlivost na výškové rozdíly • Tři základní módy AFM • Kontaktní • Nekontaktní • Poklepový

30. AFM – kontaktní režim • Malá tuhost držáku • Přímá topografie povrchu na základě odpudivých sil • Sonda smýkána po povrchu • Lze detekovat i boční síly: • Tření • Různorodost materiálu • Další vlivy • Vyšší rozlišení – blíže k povrchu • Vhodné pro tvrdé vzorky

31. AFM – kontaktní režim • Ohyb hrotu od povrchu • Tuhost ramene musí být menší než efektivní tuhost držící atomy pohromadě • V opačném případě hrozí poškození vzorku n • Ovlivnění hrotu • Kapilární síly (zkondenzovaná voda) • Vlastní pružnost hrotu • Síla působící na vzorek: řádově 10-7N

32. AFM – nekontaktní mód • Vyšší tuhost držáku • Udržován při oscilacích na vlastní frekvenci pomocí piezokeramických scannerů • Povrch mapován ze změn frekvence • Režim přitažlivých sil dále od vzorku • Mírně snížené rozlišení • Hrot není v přímém kontaktu s povrchem • Menší vrcholový úhel – vyšší rozlišení • Měření měkkých a elastických vzorků

33. AFM – poklepový mód • Podobný předchozí • Rozkmit tak velký, že dochází ke kontaktu s povrchem • Povrch mapován ze změny rezonanční frekvence • Vhodná pro vzorky: • U nichž hrozí poškození třením či tažením • Větší plochy s většími změnami v ose Z

34. AFM – módy • Částečné pokrytí povrchu zkondenzovanou vodou • Bezdotyková metoda – reliéf odpovídající povrchu vodní kapky • Dotyková metoda – reliéf odpovídající pouze povrchu vzorku

35. AFM - použití • Testování struktur v oblasti mikro- a nanometrových rozměrů • Polovodičové obvody • Tyto struktury použitelné pro testy kvality zobrazení • Kalibrační mřížky

36. AFM - nevýhody • Malý rozměr skenované oblasti (100 x 100 µm) • FM-AFM (1994) • Rozkmit raménka • Měřen fázové posuv kmitání • Dosud nejvyšší rozlišení 77 pm (77.10-12m) • Struktury uvnitř jednotlivých atomů

37. AFM

38. Skenovací sondová mikroskopie

39. Skenovací sondová mikroskopie (SPM) • Kombinace STM a AFM • Studium povrchů a povrchových procesů • Mechanické sondy • Obory • Chemie • Fyzika • Biologie • Metrologie • Nanotechnologie

40. SPM a nanotechnologie • Zobrazení a manipulace s atomy • Struktury na atomární úrovni • Manipulace: • Kvalitní povrch • Vakuum • Dva způsoby • STM hrot se nastaví nad přemisťovaný atom, přiloží se napětí, atom přejde na hrot, hrot se přemístí • Jakýkoli hrot e umístí za přemisťovaný atom, atom je tlačen hrotem na zvolené místo

41. Další metody založené na SPM • Mikroskopie laterálních sil (LFM) • Třecí síly • Krut ramene • Mikroskopie modulových sil (FMM) • Elastické vlastnosti povrchu • Mikroskopie magnetických sil (MFM) • Prostorové rozložení magnetických Lorentzových sil • Hrot s feromagnetickou vrstvou

42. Další metody založené na SPM • Mikroskopie elektrostatiských sil (EFM) • Rozložení elektrostatického náboje na povrchu • Rastrovací termická mikroskopie (SThM) • Raménko = mikrotermočlánek (W, Ni) • Tepelná vodivost • Termoelektrické napětí • Rastrovací kapacitní mikroskopie (SCM) • Prostorové změny kapacity • Podpovrchové nosiče náboje • Mapování příměsí (legur) v polovodičích

43. Pro dnešek vše 