PÁSZTÁZÓSZONDÁS MIKROSZKÓPIA

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "PÁSZTÁZÓSZONDÁS MIKROSZKÓPIA"

Márk Kovács
7 évvel ezelőtt
Látták:

1 PÁSZTÁZÓSZONDÁS MIKROSZKÓPIA Molnár László Milán Mikro- és nanotechnológia MIKROSZKÓPOS MÓDSZEREK I. OPTIKAI ÉS ELEKTRON Név Mőkıdés elve Elınyök Hátrányok Optikai Egyszerő Diffrakciólimitált Optikai transzmissziós, Kiforrott Korlátozott mikroszkóp vagy reflexiós technológia mélységélesség Pásztázó elekronmikroszkóp SEM (scanning electron microscope) Mintából kilépı (vagy visszaszórt, vagy szekunder) elektronok detektálása Nagy mélységélesség ( 3D kép ) Spektro-szkópiai lehetıség (EDS) szigetelı minták esetében mintaelıkészítést igényel Vákuumot igényel

2 MIKROSZKÓPOS MÓDSZEREK II. ELEKTRON Név Mőkıdés elve Elınyök Hátrányok Transzmissziós elektronmikroszkóp TEM (transmission electron microscope) Nagyenergiájú elektronokkal világítjuk át a mintát Atomi felbontás Spektroszkópia Körülményes mintaelıkészítés (ionsugaras vékonyítás) Költséges Ultranagy vákuumot igényel MIKROSZKÓPOS MÓDSZEREK III. SPM Név Mőkıdés elve Elınyök Hátrányok Atomerı-mikroszkóp AFM (Atomic Force Microscope) Pásztázó alagútmikroszkóp STM (Scanning Tunneling Microscope) Minta és AFM hegy közötti erıhatás mérése Minta és SPM hegy közötti alagútáram mérése Sokrétő felhasználás Nem igényel mintaelıkészítést Nincs szükség különleges atmoszférára Nem igényel mintaelıkészítést Nincs szükség különleges atmoszférára Atomi felbontás csak speciális körülmények között elérhetı Rezgésre fokozottan érzékeny Csak vezetı (esetleg félvezetı) minta vizsgálható

3 SPM MÓDSZEREK TÖRTÉNETE NOBEL-DÍJAK STM (Scanning Tuneling Microscope) 1981: Gerd Binnig, Heinrich Rohrer (IBM, Zürich); Nobel: 1986 (Ernst Ruskával megosztva, aki a SEM feltalálója) A felfedezés és a díj között csupán 5 év telt el! AFM (Atomic Force Microscope) 1986: Binnig, Rohrer, Quate (IBM, Zürich és Stanford University) PÁSZTÁTÓ ALAGÚTMIKROSZKÓP I. Vegyünk egy elektront, melynek adott a mozgási energiája, és beleütközik egy véges kiterjedéső potenciálgátba (ez a gát lehet például egy vékony szigetelı réteg). Az elektron mozgását a Schrödingeregyenlet írja le Egydimenziós esetben, és véges, L szélességő négyszögletes potenciálgát esetében a Schrödinger-egyenlet: 2 2 h Ψ + V Ψ = E Ψ 2m x 2 Ψ 1 Ψ 3 = Ae ikx ikx = Ce A e ikx 2 C T = A T ( E) a 16E V0 e 2 V 0 2α

4 PÁSZTÁTÓ ALAGÚTMIKROSZKÓP II. AZ STM HEGY Az STM hegy természetesen vezetı kell, hogy legyen ezen kívül pedig követelmény az anyagával szemben, hogy ellenálló legyen Volfrám, platina-iridium ötvözet A hegyezés legkifinomultabb az elektrokémiai maratás: a volfrám esetében kálium-hidroxid (KOH) a platina-iridium ötvözet esetében kálium-klorid vizes oldata Az STM heggyel szemben nincsenek olyan konkrét követelmények, az STM képalkotását alig befolyásolják a mikroszkóp hegyének geometriai viszonyai. A legegyszerőbb STM alkalmazásokban gyakran elég egy finom vágóeszközzel kis szögben elvágni egy volfrám huzalt. Az ilyen módszerrel elkészített STM hegyek geometriája véletlenszerően alakul ki, a csúcs görbületi sugara 0,1 µm és 1 µm közé esik.

5 MANIPULÁCIÓ STM-MEL Elıször megkeressük a mozgati kívánt, felületen kötött atomot Az STM tőt az atom felé helyezzük Az alagútáram növelésével csökkentjük a tő és az atom közötti távolságot Ha a megfelelı alagútáram értéket állítottuk be, akkor ezek után az atom együtt fog mozogni a minta felszínén. Mozgassuk tehát a tőt a kiválasztott pozícióig. Csökkentsük az alagútáram értékét, aminek hatására az atom-tő kölcsönhatás gyengül, Az atom-felszín kötıerı hatására ismét megkötıdik a felszínen. AFM ATOMERİ MIKROSZKÓP Az AFM mőködése hasonló a mikrotős profilmérıkéhez, azonban annál jóval kifinomultabb eszközrıl van szó. Egy hegyes tőt a minta felületén mozgatjuk. A tő egy vékony, és ezáltal könnyen hajló konzol (kantilever) végén található. A tő követi a minta felületén lévı kitüremkedéseket és bemélyedéseket.

6 AFM ATOMERİ MIKROSZKÓP TŐ MOZGATÁSÁVAL AFM ATOMERİ MIKROSZKÓP MINTA MOZGATÁSÁVAL

7 AZ AFM TŐ Anyaga legtöbbször szilícium, vagy szilícium-nitrid. Elektrokémiai maratással: Egy passziváló réteggel (például oxiddal) megóvjuk azokat a részeket, amelyeket nem kívánunk marni a munkadarabot az anyagához megfelelı maratószerbe helyezzük. (Ez a maratószer sokféle lehet, pl. fluorsav) A maratószeren keresztül zárunk egy áramkört, amibe belekapcsoljuk a munkadarabot. Így az átfolyó áram nagyságával tudjuk szabályozni a maratás sebességét. Fókuszált ionnyalábbal (FIB Focused Ion Beam): A mechanikai úton kialakított hegyre elekromos térben gyorsított ionokat (például argont) lınek, és ezzel alakítják ki a kis hegygörbületet. Az eljárás elınye, hogy reprodukálható, és jó minıségő végeredményt ad, azonban speciális eszközt igényel. AZ AFM TŐ Szén nanocsı ragasztásával Az elızıleg elıkészített AFM hegyre szén nanocsövet helyeznek (ezt pick-up technikával valósítják meg). A nanocsövet van der Waals erı tartja a helyén.

8 AFM MINTA MOZGATÁSA Szervetlen kristály (például Lítium-nióbát - LiNbO 3, bárium-titanát BaTiO 3 ). A piezoelektromos együttható tipikus értéke ezeknél az anyagoknál m/v nagyságrendjébe esik. Ebbıl látszik, hogy a piezoelektromos anyagokkal rendkívül pontos pozícionálást végezhetünk el, feltéve, hogy a maximális elmozdulás kicsi. Az SPM módszerek esetében leggyakrabban egy speciális kerámiából, ólom-cirkónium-titanátból (PZT) szinterelt hengert használnak. AFM MINTA MOZGATÁSA

9 KANTILEVER ELMOZDULÁSÁNAK MÉRÉSE AFM MÉRÉSI MÓDOK 3 alapvetı mód van: kontakt, tapping, nem kontakt. A kantilever lényeges paraméterei: rezonancia-frekvencia, rugóállandó, rezgés ampitudója.

10 AFM MÉRÉSI MÓDOK A KONTAKT MÓD 0,01 és 1,0 N/m közötti rugóállandó Mérendı erı tipikusan nn-tól µn-ig Levegıben és folyadék alatt is mőködik Elınyök: gyors, egyetlen módszer, amivel atomi felbontás elérhetı (spec. felszínen), nagyon egyenetlen felületrıl a legjobb eredményt adja. Hátrányok: nyíróerık befolyásolják a térképet, felületen adszorbeált folyadékréteg rontja a képminıséget, bizonyos minták megsérülhetnek.

11 A TAPPING MÓD A TAPPING MÓD 1 és 100 N/m közötti rugóállandó Rezonancia-frekvencia 300 khz körül A rezgési ampitudó RMS-e az, amire visszacsatolunk. Amplitudó: 20nm és 100 nm között Mőködik folyadékban is, csak a frekvencia változik. Elınyök: a legtöbbféle mintán 1 és 5 nm közötti felbontás, kisebb erıhatás, nincs nyíróerı. Hátrányok: Kisebb pásztázási sebesség,

12 A NEM-KONTAKT MÓD A NEM-KONTAKT MÓD A kantilever hasonló, mint a tapping módnál Amplitudó: <10 nm A felülethez közeledve csökken a rezonancia-frekvencia (az elhangolás felfelé történik); ezt detektáljuk Elınyök: a legtöbbféle mintán 1 és 5 nm közötti felbontás, kisebb erıhatás, nincs nyíróerı. Hátrányok: sokkal kisebb pásztázási sebesség, hiszen meg kell akadályozni, hogy a tő leragadjon kisebb felbontás csak hidrofób anyagokon mőködik

13 MÁGNESES ERİ MIKROSZKÓP KÉPALKOTÁSI HIBÁK TŐGEOMETRIA HATÁSA

14 KÉPALKOTÁSI HIBÁK GEOMETRIAI KONVOLÚCIÓ KÉPALKOTÁSI HIBÁK TÖBB HEGY

15 KÉPALKOTÁSI HIBÁK GYŐRŐS HIBA (TAPPING) KÉPALKOTÁSI HIBÁK PIEZO HAJLÁSA (100 µm)

Hasonló dokumentumok

ELTE Fizikai Intézet. FEI Quanta 3D FEG kétsugaras pásztázó elektronmikroszkóp

ELTE Fizikai Intézet. FEI Quanta 3D FEG kétsugaras pásztázó elektronmikroszkóp ELTE Fizikai Intézet FEI Quanta 3D FEG kétsugaras pásztázó elektronmikroszkóp mintatartó mikroszkóp nyitott ajtóval Fő egységek 1. Elektron forrás 10-7 Pa 2. Mágneses lencsék 10-5 Pa 3. Pásztázó mágnesek