Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

A szilárdtestfelületek szerkezetének felderítésére alkalmas legfontosabb módszerek (FEM-FIM, LEED, RHEED, SPM-STM-AFM) történeti áttekintés a módszerek.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "A szilárdtestfelületek szerkezetének felderítésére alkalmas legfontosabb módszerek (FEM-FIM, LEED, RHEED, SPM-STM-AFM) történeti áttekintés a módszerek."— Előadás másolata:

1 A szilárdtestfelületek szerkezetének felderítésére alkalmas legfontosabb módszerek (FEM-FIM, LEED, RHEED, SPM-STM-AFM) történeti áttekintés a módszerek fejlesztési iránya atomi poziciók deketálása

2 A felület részaránya igen kis tömbi hányadot képez, ha a felületi atomi réteget a tömbben diszpergáljuk, vagyis a felületi érzékenység igen nagy érzékenységet jelent. Az elektronok inelasztikus szabadúthossza jellemzően változik az energiával, de szilárdtestekben meglehetősen kicsi a eV tartományban, összemérhető a szokásos rácsállandókkal: 10 Angstroms ( 1 nm ) 15 < E/eV < Angstroms ( 2 nm ) 10 < E/eV < 1400, s ez eredményezi a nagy felületérzékenységet.

3 FEM-FIM Field Emission Microscopy (FEM) Field Ion Microscopy (FIM) ( téremissziós mikroszkópia, térionizációs mikroszkópia) A téremissziós mikroszkópot 1936-ban Dr. Erwin Mueller alkotta meg, aki később 1951-ben készülékét továbbfejlesztve feltalálta a térionizációs mikroszkópot is. A maga korában (sőt egészen az STM 1982-ben történő felfedezéséig) a téremissziós mikroszkóp volt az egyetlen kísérleti módszer, amellyel szilárdtestfelületek atomjai megjeleníthetők voltak. Még napjainkban is fontos módszer, különösen, ha „repülési idő” tömegspektrometriával van összekapcsolva, s így atomszondás elemanalízisre ad lehetőséget.

4 FEM-FIM Field Emission Microscopy (FEM) Field Ion Microscopy (FIM) ( téremissziós mikroszkópia, térionizációs mikroszkópia) A nagyon kis görbületi sugarú (~ 20 nm) csúcs egy krisztallit formát képez, ahol a kristálytani síkok és a felület metszése élatomokat eredményez. Ezeknek a környezetüknél nagyobb az emisszióképességük, ezért a FEM (ill. a FIM) képeken fényes pontokként jelentkeznek a képernyőn, ha a minta és a hemiszférikus képernyő közé kV nagyságrendű feszültséget kapcsolunk. modell FIM kép

5 FEM-FIM A téremissziós (térionizációs) mikroszkóp felépítése Nagyítás N = a minta – csúcs távolság / csúcs görbületi sugár 10 cm / 10 nm ~ 10 7 hűthető mintatartó nagy feszültség betekintő ablak minta leképező gáz (He)

6 elektron ágyú fékező rácsok minta kollektor felület kísérleti elrendezés Low Energy Electron Diffraction (LEED) ( kis energiájú elektrondiffrakció) LEED analizátor Tipikus energia tartomány: eV, amely esetében a kb. 0.3 nm rácsállandójú síkrácsok cm távolságban jól elkülönülő (10-15 mm) diffrakciós pontok jelennek meg. LEED

7 Az elektron hullámhossza, = h / p ( ahol p az elektron impulzusa) vagyis p = m v = (2 m E k ) 1/2 = (2meV) 1/2, ahol m – az elektron tömeg [ kg ] v - sebesség [ m s -1 ] E k – kinetikus energia e – elektromos töltés V – gyorsító feszültség (eV) = h / ( 2 m e V ) 1/2 az erősítés vagyis a diffrakció Bragg-feltétele a x sin  = n x valódi rács – reciprok rács távolság hullámszám vektor (energia jellegű) LEED 1 1 a a

8 LEED valódi rács fcc(110) felület diffrakciós (LEED) kép Első közelítésben a felületi elemi cella elhelyezkedés szimmetria viszonyait kapjuk meg (kinetikus LEED elmélet). Az elemi cella belső atomi felépítésére primér elektron energia-függés mérésekre van szükség, amelynek kiértékelésében az nyugalmi atomi poziciók körüli termikus rezgéseket is figyelembe kell venni (dinamikus LEED elmélet).

9 RHEED 88 fokos beesési szög esetén Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED) ( reflexiós nagy energiájú elektrondiffrakció) A diffrakciós kép ebben az esetben meghatározott távolságban megjelenő csíkok rendszere, amelyeknek a távolsága a rácssíkok távolságával hozható kapcsolatba. Főleg vékonyrétegek (fémfilmek) növesztésének ellenőrzésére használják.

10 RHEED Az úgynevezett szendvics-rétegek ill. szuperrácsok kialakításában alapvető fontosságú technika.

11 az STM felfedezéséért kapott Nobel-díj megünneplése 1986 IBM-Laboratórium, Zürich Gerd Binnig, Heinrich Rohrer 1986 Si (111)-(7x7) az első kísérleti megvalósítás SPM

12 Scanning Probe Microscopies (SPM) Scanning Tunneling Microscopy STM (Pásztázó Alagútmikroszkópia) Atomic Force Microscopy AFM (Atomi erő mikroszkópia) (SFM ??) Scanning Magnetic Microscopy SMM (Pásztázó Mágneses Mikroszkópia) leképező tű (szenzor) vizsgálati tárgy a leképezési tartomány atomi léptékű tartományon leképezés a valódi rácstérben A leképező tű mozagatása 0.01 nm laterális pontossággal piezoelektromos pozicionálók segítségével nem csak mikroszkóp, de nanomanipulátor is

13 SPM az alagutazás elektronszerkezeti értelmezése a Fermi-szint körüli betöltött és betöltetlen állapotok fontossága  z  e -  z ahol  2m  U-E)] 1/2 /h

14 SPM Az STM-tű, a minta, az STM feszültség-generátora és az alagútáram erősítő zárt áramkört alkot. Az állandó aramú üzemmódban a Z-piezo ún. negatív visszacsatolással biztosítja az alagút áram szabályzását, miközben a szükséges Z-távolság értékét egy leolvasó áramkör elküldi a komputerbe, ahol egy megfelelő program képi információvá rakja össze a kapott értékeket.

15 SPM betöltött elektron állap. betöltetlen elektron állap. leképező tű potenciál gát véges magasság véges szélesség a leképező feszültség V nagyságrendű a leképező áram nA nagyságrendű sávszerkezeti kép A minta-tű távolsággal exponenciálisan csökkenő alagútáram !

16 a nagy laterális felbontás értelmezése  z  e -  z ahol  2m  U-E)] 1/2 /h tartózkodási valószínűség : P     e -2  z ily módon az alagútáram speciális esetben : I    n    e -2  z E F E n = E F -eV amennyiben a lokális állapot sűrűség definícióját felhasználjuk  s (z, E)  =    n   E E n =E-  azt kapjuk, hogy az alagútáram I  V *  s (z, E F ) SPM

17 Si(111)-(7x7) Az STM első nagy sikerét egy régóta megoldatlan felületi rekonstrukció, a Si(111) felület 7x7-es rekonstrukciójának megfejtése jelentette A képi megjelenítést nagyban elősegítette a mikroszámítógépek fejlődése az 1980-as évek közepétől. Ma már 0.01 sec / kép (512 x 512 képpont) sebességgel video-szerűen rögzíthetők felületi folyamatok (Video-STM). Az STM fejlesztésének a Video-STM és az STM- manipulátor mellett, a spektroszkópiai üzemmód kihasználása. A lokálisan felvett I-V spektrumok a felületi állapotsűrűségről adnak információt.

18 SPMAz STM, mint nanomanipulátor A leképező tű megfelelő alagútáram és feszültség esetén képes arra, hogy a felületen kötött atomot vagy molekulát felvegye vagy lerakja, ily módon atomokból szabályos elrendeződések rakhatók ki (csak türelem kérdése). Carbon Monoxide Man Carbon Monoxide on Platinum (111) The Beginning Xenon on Nickel (110)

19 STM üzemmódok STM funkciók konstans áramú leképezés I t = const., Z-piezo visszacsatolás képi információ: Z-piezo feszültség állandó távolságú leképezés Z-piezo konstans, nincs visszacsatolás képi információ: I t alagútáram I / U spektrumok felvétele X, Y, Z-piezo konstans mikroszkóp nanomanipulátor spektrométer SPM

20 a gyakorlati munka szempontjából fontos faktorok 1. elektronika, számítástechnika, 2. zajcsökkentés, mechanikai stabilitás 3. reprodukálható tű készítés 4. képfeldolgozás, megjelenítés 5. kiegészítő módszerek alkalmazása SPM


Letölteni ppt "A szilárdtestfelületek szerkezetének felderítésére alkalmas legfontosabb módszerek (FEM-FIM, LEED, RHEED, SPM-STM-AFM) történeti áttekintés a módszerek."

Hasonló előadás


Google Hirdetések