Mikroskopie rastrující sondy Metody charakterizace nanomateriálů I RNDr. Věra Vodičková, PhD.
Metody mikroskopie rastrující sondy SPM (scanning( probe Microscopy) Metody mikroskopie rastrující sondy soubor metod ke sledování povrchu v subatomárním rozlišení příbuzné techniky využití různé interakce sonda-povrch (STM, AFM, ) 1981 vynález prvního rastrovacího tunelového mikroskopu (Nobelova cena 1986) 2
Obecná charakteristika SPM metod Rozlišení metod podle typu sondy Metody založeny na pohybu sondy v těsné blízkosti povrchu, obvykle několik málo nm Obraz vytvářen na základě elektromechanické interakce sondy se vzorkem - sonda sleduje profil konstantní interakce pomocí zpětné vazby zabezpečení proti vibracím kalibrace 3
Metody mikroskopie rastrující sondy + a - SPM metod + rozlišní nezávislé na λ použité sondy + 3-dim obraz + využití v různých prostředích + bez speciálních úprav povrchu + možnost detekce různých vlastností povrchu / citlivost několik povrchových vrstev/ - obtížná interpretace výsledků - postupné sbírání dat a sestavování obrazu - množství artefaktů 4
Metody mikroskopie rastrující sondy Široká použitelnost metod zobrazení povrchu měření vlastností na atomární úrovni možnost manipulace s atomy 5
Rozlišovací schopnost sondových mikroskopů 6
Obecné konstrukční schéma Zabezpečení proti vibracím Odolnost vůči elektromagnetickým interakcím Konstrukční součásti: - sonda - skenery(jemný posuv) - detektor(snímač proudu, posunutí...) - obvody zpětné vazby - hrubý posuv - optický systém pro orientaci na vzorku 7
STM rastrovací tunelová mikroskopie Založena na monitorování proudu, který protéká mezi vodivým hrotem a vodivým vzorkem, které nejsou v mechanickém kontaktu Princip tunelového jevu: jsou-li dva vodivé materiály v dostatečné blízkosti (ale ne v kontaktu), z kvantově mechanického hlediska existuje nenulová pravděpodobnost, že elektrony projdou z jednoho materiálu do druhého protéká tzv. tunelový proud Velikost tunelového proudu silně (exponenciálně) závisí na vzdálenosti a na přiloženém napětí (změna vzdálenosti vyvolářádovou změnu pravděpodobnosti tunelování) Tunelový jev 8
STM Princip zobrazení pravděpodobnost tunelování udává i pravděpodobnost přenosu náboje souvisí s proudem, který soustavou prochází Sonda - ostrý kovový hrot (ideálně - atomární zakončení) hrot sondy sleduje změny tunelového proudu a sestavuje tak obraz lokální hustoty elektronů na povrchu vzorku z map elektronové hustoty je na základě teoretických modelů vyhodnocována skutečná struktura povrchu 9
STM Schéma 10
STM Režimy zobrazení Interakce mezi hrotem a vzorkem: d>10 nm 1<d < 10 nm zanedbatelná slabé Van der Waalsovy síly, při nízkých napětích k tunelování nedochází 0,3<d < 1nm režim STM, tunelování pod napětím d < 0,3nm převládá odpudivá interakce, dochází ke kontaktu, proud dán vodivostí 11
STM Možnosti Základní předností je vysoké subatomární rozlišení, které dovoluje podrobně zobrazit jednotlivé atomy V okolí hrotu lze přiložením napětím vytvořit silné elektrické pole, které je schopné vytrhnout atom z povrchu cílená manipulace s jednotlivými atomy Obr.: stojatá elektronová vlna v kruhu atomů železa na povrchu mědi (STM) Spektroskopické využití STS (informace o obsazení el. stavů, velikosti zakázaných pásů, chemické vazbě ) 12
STM Rozlišení Faktory ovlivňující rozlišení STM: tvar hrotu velikost skenovacího kroku konstrukční parametry přístroje prostředí (přenos vibrací, tepelné drifty, ) charakter vzorku (kov, polovodič) 13
STM Aplikace Nanočástice oxidu na povrchu Fe Molekula C 60 na povrchu Au Šroubová dislokace v Si(111) Dislokace na WO 3 (001) c(2x2) Grafit Sodík a jód na povrchu Cu Grafit Xenon na Ni 14
Metody odvozené od STM STS Scanning Tunneling Spectroscopy stanovení energetické struktury látek SCM Kapacitní mikroskopie využívána kapacita mezi sondou a (polo)vodivým vzorkem SThM Teplotní skenovací mikroskopie využívá změny termonapětí podél povrchu SNM mikroskopie šumového napětí snímá se šumové napětí z tunelování elektronů PSTM fotoemisní mikroskopie měří se spektra fotonů stimulovaných tunelujícími elektrony
AFM mikroskopie atomových sil Využití elmg sil atomárního původu,(blízko- i dalokodosahových) Sondou je tzv. cantilever - pružné raménko na jehož konci je ostrý hrot Hrot může být z různých materiálů ( typický je křemík), nebo na něm může být připevněna magnetická částice či molekula 16
AFM Princip zobrazení působením přitažlivých a odpudivých sil (Van der Waalsovské, elektrostatické, magnetické) dochází k ohýbání raménka ohyby jsou detekovány laserovým paprskem a slouží pro sestavení obrazu povrchu, např. sledováním profilu konstatní síly kvadrantový fotodetektor ohyb nosníku se projeví posunem odrazu 17
AFM Možnosti zobrazení V kontaktním modu analogicky k STM dva možné režimy: s konstantní výškou nosníku (měří se ohnutí) s konstantní silou (konstantní ohnutí, posun hrotu či vzorku v z ose) 18
AFM Semikontaktní režim 19
AFM Aplikace AFM - širší použití než STM, vzorek ani hrot nemusí být vodivý Charakteristiky nanovrstvy Grafit Si atomy 20
AFM Artefakty Artefakt = ztráta informace o vzorku tvar nebo znečištění hrotu (nebo interakce s nečistotou na povrchu zkreslení obrazu zrcadlení hrotu (konvoluce) výměna funkcí hrotu a povrchu zdvojení (stejné vzdálenosti atomů, dva vrcholy hrotu interference na vzorku (při použití optického zařízení k detekci) šum, špatné nastavení zpětné vazby (příliš silná zpětná vazba oscilace chybná periodická struktura) nabíjení vzorku, softwarové artefakty 21
Další aplikace AFM a STM Modifikace povrchů AFM (nano)litografie 22
Další aplikace AFM a STM Modifikace povrchů Vytváření nanostruktur Nanočástice Cu na Au povrchu 23
Tunelový jev Pp. částici s energií E 1, která se blíží k potenciálovému valu (kovová destička, silové pole, povrch vodiče), jehož výška je E 0 > E 1, tj. klasicky je k jeho překonání třeba energie E 0 klasická fyzika: bariéru nepřekoná žádnáčástice. kvantová fyzika: existuje P 0 nalezeníčástice za potenciálovým valem (tj. částice se na druhou stranu valu dostala, přestože její energie je nižší, než je energie nutná na překonání potenciálového valu). Částice se tedy na druhou stranu valu protunelovala. Na tunelovém jevu je založena řada polovodičových prvků a řada citlivých měřících metod 24
Tunelový jev Představa pro hrubé vysvětlení tunelového jevu částice dokáže svoji energii nějakým způsobem měnit, třebaže vždy jen na krátko (velikost energie částice může spontánně přeskakovat z jedné hodnoty na druhou) Tedy: částice si může dodatečnou energii (nutnou na překonání potenciálového valu) na příslušnou pevně stanovenou dobu vypůjčit 25
Tunelový jev Počet e - prošlých bariérou ~ počtu e - na dané elektronové hladině v látce ~ pravděpodobnosti tunelového jevu Tedy: Existuje konečně velká pravděpodobnost, že se elektron protuneluje na druhou stranu bariéry Výklad tunelového jevu na základě pravděpodobnosti: částice musí vykonat nejprve řadu neúspěšných pokusů, než se jí podaří uvolnit se např. z kovu. 26