Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Přednáška 3 Analytické metody používané v nanotechnologiích.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Přednáška 3 Analytické metody používané v nanotechnologiích."— Transkript prezentace:

1 Přednáška 3 Analytické metody používané v nanotechnologiích

2  Skenovací tunelová mikroskopie  Mikroskopie atomárních sil  Skenovací sondová mikroskopie

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

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

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

6  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  Skutečné rozměry je nutné kalibrovat  Sonda sleduje profil konstantní interakce pomocí zpětné vazby  Předměty zkoumání: ◦ Kovy ◦ Polovodiče ◦ Molekuly ◦ Polymery ◦ Živé buňky

8

9  Mapování povrchu pomocí pohybu (rastrování) vodivým hrotem (sondou) nad vodivým povrchem materiálu.  Nevyžaduje složitou přípravu vzorku  Informace pouze o povrchu

10  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  Mechanická část ◦ Stolek k upevnění vzorku ◦ Polohovací zařízení ◦ Sonda  Elektrická část ◦ Napájení ◦ Zpětná vazba ◦ Sběr signálu ◦ Ovládání pohybu  Tlumení mechanických vibrací  Vakuová komora

12  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  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  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

16

17  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

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

20  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

22  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  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

25  Odpudivé síly ◦ Krátkodosahové ◦ Pauliho síla ◦ Hrot je v kontaktu se vzorkem  Přitažlivé ◦ Dlouhodosahové ◦ Van der Waals (dipól-dipól)

26  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  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  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  Oblast strmé části křivky – vysoká citlivost na výškové rozdíly  Tři základní módy AFM ◦ Kontaktní ◦ Nekontaktní ◦ Poklepový

30  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  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 N

32  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  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  Částečné pokrytí povrchu zkondenzovanou vodou ◦ Bezdotyková metoda – reliéf odpovídající povrchu vodní kapky ◦ Dotyková metoda – reliéf odpovídající pouze povrchu vzorku

35  Testování struktur v oblasti mikro- a nanometrových rozměrů ◦ Polovodičové obvody  Tyto struktury použitelné pro testy kvality zobrazení ◦ Kalibrační mřížky

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

37

38

39  Kombinace STM a AFM  Studium povrchů a povrchových procesů  Mechanické sondy  Obory ◦ Chemie ◦ Fyzika ◦ Biologie ◦ Metrologie ◦ Nanotechnologie

40  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  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  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


Stáhnout ppt "Přednáška 3 Analytické metody používané v nanotechnologiích."

Podobné prezentace


Reklamy Google