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

Obsah Skenovací tunelová mikroskopie Mikroskopie atomárních sil Skenovací sondová mikroskopie

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

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

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

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

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

Skenovací tunelová mikroskopie

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

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

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

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

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 U wolframu nevýhoda - oxidace

STM Přednosti Nevýhody 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 Hustota elektronů – vlnové funkce elektronů, nikoli povrch; logo John Foster

STM

Mikroskopie atomárních sil

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

AFM

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

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

AFM

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

AFM Hroty: Raménko: 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

AFM

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

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

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

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

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

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 Poškození měkkých vzorků, parazitní signály

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

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

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

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

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

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

AFM

Skenovací sondová mikroskopie

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

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

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

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

Pro dnešek vše 