Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Közeltéri mikroszkópiák Dr. Mizsei János Reichardt András.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Közeltéri mikroszkópiák Dr. Mizsei János Reichardt András."— Előadás másolata:

1 Közeltéri mikroszkópiák Dr. Mizsei János Reichardt András

2 Bevezetés „There's Plenty of Room at the Bottom” [Richard P. Feynman, ] „There's Plenty of Room at the Bottom” [Richard P. Feynman, ] [http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html] Manipulációs és vizsgálati módszerek szükségesek Manipulációs és vizsgálati módszerek szükségesek

3 Pásztázó (felület)vizsgálat – általános meggondolás Vizsgált tárgy (felületi) felépítésének és/vagy egyéb tulajdonságának vizsgálata Vizsgált tárgy (felületi) felépítésének és/vagy egyéb tulajdonságának vizsgálata A felület egy pontjában vizsgálat elvégzése A felület egy pontjában vizsgálat elvégzése A felület mentén pásztázó (scanning) mozgás vagy a tárgy pásztázó mozgatásával a teljes vizsgált terület lefedése A felület mentén pásztázó (scanning) mozgás vagy a tárgy pásztázó mozgatásával a teljes vizsgált terület lefedése A pontonkénti vizsgálat eredményének összerakása A pontonkénti vizsgálat eredményének összerakása

4 Közeltéri– általános meggondolás gerjesztés mikrotartományban (közeltér), az analízis globálisan gerjesztés mikrotartományban (közeltér), az analízis globálisan gerjesztés globálisan, az analízis mikrotartományban (közeltér) gerjesztés globálisan, az analízis mikrotartományban (közeltér) a gerjesztés is és az analízis is közeltéri a gerjesztés is és az analízis is közeltéri

5 SEM: scanning electron microscope STM: scanning tunneling microscope AFM: atomic force microscope contact AFM non contact AFM dynamic contact AFM AFEM: atomic force electrolimunescence microscope MFM: magnetic force microscope EFM: electroscatic force microscope SVM: scanning voltage microscope KPFM: kelvin probe force microscope SCM: scanning capacitance microscope FMM: force modulation microscope SThM: scanning thermal microscope NSOM: near-field scanning optical microscope Gyűjtemény

6 Pásztázó elektronmikroszkóp (nem közeltéri ?) Elvi működés – gerjesztési körte - válaszjelek Szekunder elektronok Visszaszórt elektronok

7 Pásztázó elektronmikroszkóp

8 Pásztázó elektronmikroszkóp: SE képek

9 Pásztázó elektronmikroszkóp Visszaszórt elektronok detektálása: (detektor: pn átmenet, csak az épp felé repülő elektronokat látja ) SE kép repedés

10 Pásztázó Alagút Mikroszkóp Scanning Tunneling Microscope G. Binnig (1947) és H. Rohrer (1933) IBM Research Institut, Zürich, 1982 G. Binnig (1947) és H. Rohrer (1933) IBM Research Institut, Zürich, , Nobel-díj "for their design of the scanning tunneling microscope" 1986, Nobel-díj "for their design of the scanning tunneling microscope"[http://nobelprize.org/physics/laureates/1986/index.html] (1986, Ruska (sz. 1906, m. 1988) – az elektronoptika terén elért eredmények és az első elektronmikroszkóp megalkotásáért)

11 STM - alapelv Hegyes fémt ű t (tip) a felülethez elég közel elhelyezni Hegyes fémt ű t (tip) a felülethez elég közel elhelyezni Az alagútáramot a felület és a t ű között mérni Az alagútáramot a felület és a t ű között mérni A mért árammal a felület és a t ű távolságát visszaszabályozni A mért árammal a felület és a t ű távolságát visszaszabályozni

12 STM - alapelv Fémek esetén – összeérintéskor a Fermi-szintek beállnak Külső tér segít az alagutazásban

13 STM – felépítés Vázlatos felépítés és egy lehetséges elhelyezés

14 STM – kezdetek Si(111) – 7x7 struktúra (Stairway to Heaven)

15 STM - problémák Megvalósítás során megoldandó problémák : Zajvédelem Zajvédelem Mechanikai Mechanikai Elektronikai Elektronikai Piezo mozgatás Piezo mozgatás STM tű STM tű

16 STM – mechanikai zajvédelem 1%-nál kisebb mechanikai zaj az áramban [<1pm] 1%-nál kisebb mechanikai zaj az áramban [<1pm] épület rezgési amplitúdója 100 pm épület rezgési amplitúdója 100 pm többszörös csillapítás többszörös csillapítás Binnig, Rohrer : „building the microscope upon a heavy permanent magnet floating freely in a dish of superconducting lead”

17 STM – piezo mozgatás Minta/fej mozgatás piezo „motoros” megoldással Nagy méret, így kis rezonancia Jelentős nem-linearitás Kompakt méret Hosszával csökken a torzítás

18 STM - tű Az alagútáram exponenciális jellege miatt a tű kialakítása lényeges. Ideális esetben egyatomos a hegy. Hegyes tűTompa tű

19 STM tű Elektrokémiai marással NaOH-val

20 STM – a tű szerepe

21 STM – mérési módok Állandó magasságú Állandó magasságú Állandó áramú Állandó áramú

22 Egy-dimenziós alagút átmenet Egy-dimenziós fém-vákuum-fém alagút átmenet: a minta és a tű végtelen félterekkel vannak modellezve

23 Alagút áram – 1. megközelítés Fém-vákuum-fém alagút átmenet: Schrödinger egyenlet megoldása:,ahol I = alagút áramρ s = lokális állapotsűrűség V = a tű feszültségeW = gát szélessége Tipikusan φ ~ 4eV → k ~ 1 Å -1 → az áram e 2 -tel csökken ~ 7,4x / Å

24 Bardeen alagút elmélet A csatolt rendszerre (a) vonatkozó Schrödinger egyenlet megoldása helyett, a perturbációs elmélet alkalmazása. Két szabad alrendszerből kiindulva az alagút áram kiszámítható a hullámfüggvények átfedéséből, a Fermi aranyszabály alkalmazásával.

25 Alagút áram – 2. megközelítés Feltételezzünk két egymást átfedő hullámfüggvényt a gát két oldalán: A Fermi aranyszabály alapján (feltételezve, hogy kT << a mérés energia felbontása) Egy free electron metal tip-re ρ t állandó:

26 STM berendezés Mérés zavaró potenciál jelenlétében

27 STM – felvételek 1. Korall – (corral: karám, cserény) Korall – (corral: karám, cserény) Cu(111) felületen Fe atomokkal (48 db) kialakított struktúra d=71.3 Angstrom Állóhullámok az állapotsűrűség mintázatban (psi^2) – a karámba zárt hullámfüggvény. Állóhullámok az állapotsűrűség mintázatban (psi^2) – a karámba zárt hullámfüggvény. IBM Almaden Research Institute,

28 STM – felvételek 2. Pt(111) felület Pt(111) felület IBM Almaden Research Institute,

29 STM – felvételek 3. Cr szennyez ő - atomok a Fe(001) felületen - kicsiny „hupplik” Cr szennyez ő - atomok a Fe(001) felületen - kicsiny „hupplik” [NASA]

30 STM – felvételek 4. SnO2-Pd gázérzékelő felület megváltozása H2 adszorpció hatására

31 STM – felvételek 5. UHV STM kép: GaAs, donor, vakancia UHV STM kép: Si felület

32 STM – atomi manipuláció Kanji jel Kanji jel Értelme : „atom” Értelme : „atom” Irodalmi fordításban : „eredeti gyerek” („original child”) Irodalmi fordításban : „eredeti gyerek” („original child”) Media : Iron on copper(111) Media : Iron on copper(111) IBM Almaden Research Institute,

33 STM – atomi manipuláció Korall „kép” előállításának lépései Korall „kép” előállításának lépései IBM Almaden Research Institute,

34 STM – atomi manipuláció Variációk egy témára, azonban a legszebb az eredeti „korall”! Variációk egy témára, azonban a legszebb az eredeti „korall”!

35 STM – SEM összehasonlítás Variációk egy témára Forrókatód, geometriailag távol Hidegkatód

36 Pásztázó Atomer ő Mikroszkópia - Atomic Force Microscope C. Binnig, 1986 [Binnig, G., Quate, C.F., and Gerber, Ch. (1986) Atomic force microscope. Phys. Rev. Lett. 56(9), ] C. Binnig, 1986 [Binnig, G., Quate, C.F., and Gerber, Ch. (1986) Atomic force microscope. Phys. Rev. Lett. 56(9), ] Nem szükséges minta előkészítés Nem szükséges minta előkészítés Nem csak vezető minta Nem csak vezető minta Nem-vákuumos Nem-vákuumos Valódi 3D Valódi 3D Sematikus felépítés Sematikus felépítés [http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_force_microscope]

37 AFM - alapelv A tű által érzékelt erőhatás mérése – atomi távolságra a felülettől A tű által érzékelt erőhatás mérése – atomi távolságra a felülettől Lenard-Jones potenciál Taszító er ő hatás Vonzó er ő hatás

38 AFM – alapelv / felépítés Részegységek : 1.Lézerforrás 2.Tükör 3.Fotodetektor 4.Erősítő 5.Vezérlő el. 6.Minta és piezomozgató 7.Tű 8.Cantilever

39 AFM – mérési módok Contact – Erő nagyságának állandóan tartása Contact – Erő nagyságának állandóan tartása Non-contact (dynamic) – rezonancia frekv. környéki rezgetés – a rezgést a tű-felület kölcsönhatás megváltoztatja Non-contact (dynamic) – rezonancia frekv. környéki rezgetés – a rezgést a tű-felület kölcsönhatás megváltoztatja  - frekvencia modulálás – minta karaktere  - amplitúdó moduláció – topográfia (intermittent contact or tapping mode) (fázis változás : anyagtípus azonosítás)

40 Contact vs. Noncontact Noncontact: ~50 mV érzékenység, ~50 nm felbontás Contact: ~1 µV érzékenység, ~ 5 nm felbontás, ~0,01 ms válaszidő

41 AFM – tű (tip) Néhány tű Néhány tű Normal tip (3 um) 30 nm lekerekítési sugár Supertip Ultralever (3 um) 10 nm lekerekítési sugár

42 AFM – tű (tip) Tűkészítés: Tűkészítés:

43 Folyadék cella AFM-hez Folyadékcella elektrokémiai vizsgálatokhoz

44 AFM berendezés

45 AFM – a tű hatása Broadening – a tű széle hamar ér a vizsgált mintához Broadening – a tű széle hamar ér a vizsgált mintához Compression – puha minta (pl. DNA) összenyomja a mintát Compression – puha minta (pl. DNA) összenyomja a mintát Interaction forces – megváltozik a kölcsönható erő Interaction forces – megváltozik a kölcsönható erő Aspect ratio – hirtelen/ugrásos minta esetén Aspect ratio – hirtelen/ugrásos minta esetén [1,2 [1] [2]

46 AFM – a tű hatása: műtermékek

47 AFM – felvételek 1. clusters on terraces. Non-contact. from[http://www.physics.purdue.edu/nanophys]

48 AFM – felvételek 2. Szén nanocsövek a felületen Szén nanocsövek a felületen Katholieke Universiteit Leuven [http://www.fys.kuleuven.ac.be/vsm/spm/gall ery.html]

49 AFM – felvételek 3. Patkány hippocampus egy részlete – élő neuron és glia [E. Henderson, Prog. Surf. Sci. 46, 1, (1994)]. Antibody modified tips – measure or localise antigens on the surface of a cell [http://www.sst.ph.ic.ac.uk/photonics/intro/AFM.html]

50 AFM – felvételek 4. TappingMode AFM image of epitaxial gold nanocrystals grown on a mica substrate by vapor deposition. Eash crystal is roughly 100 atoms, or 30 nm high. Although to the eye there appears to be a continuous gold film on the mica, the sample is nonconductive since the crystals do not make contact. [D. Barlow, Washington State University] [D. Barlow, Washington State University]

51 AFM – felvételek 5. Topographic image of a TFT LCD display 50x50 micron [Micro Photonics Inc.] – [http://www.microphotonics.com/academia.html]

52 AFM – felvételek 6. Ezüstréteg kölcsönhatása AFM tűvel

53 AFM – felvételek 7. Ezüstréteglehántása AFM tűvel

54 AFM – felvételek 8. Ezüstréteg lehántása AFM tűvel

55 Nanotechnológia AFM tűvel: anódos oxidáció

56 AFM - Millipede Nagysűrűségű adattároló eszköz Millipede, IBM Cell size: 92×92 µm² (array: 3×3 mm² ) M.I. Lutwyche, et.al. [http://www.zurich.ibm.com/st/mems/millipede.html]

57 AFM – Millipede 2. Megvalósított chip és a tű jellemzői (néhány száz GB/in 2 ) M.I. Lutwyche, et.al. [http://www.zurich.ibm.com/st/mems/millipede.html]

58 Atomic Force Elecroluminescence Microscopy

59 AFEM szerves LED mátrixon

60 Tűs letapogatás (Talystep), “szegényember AFM-je”

61 MFM – Magnetic Force Microscope Mágnesesen bevont hegy ű t ű alkalmazása AFM- en Mágnesesen bevont hegy ű t ű alkalmazása AFM- en Bits written on magneto-optical media.

62 MFM – felvételek Magnetic bubbles and wires in a magnetic memory R.M. Westervelt, Harvard University. Magnetic force microscopy image of magnetic domains in the servo tracks of a hard disk. The bright and dark lines indicate transition between the longitudinal bits. Magnetic force gradient image of servo patterns on a hard drive. 72µm scan. Magnetic bits written with an MFM probe on perpendicular Co-Cr media with a NiFe sublayer. The bits are about 180nm in size spaced 370nm, giving an equivalent area density of ~5 Gbits/in2. 2.3µm scan courtesy Michael Azarian, Censtor Corporation.

63 Elektrosztatikus Er ő Mikroszkópia (Kelvin Force Microscopy)

64 Elektrosztatikus Er ő Mikroszkópia Kelvin Force Microscopy: AFM + Kelvin V V cpd

65 Elektrosztatikus Erő Mikroszkópia Kelvin Force Microscopy: képek V/m A felület elektrosztatikus feltöltése: AFM tűvel, kontakt módban

66 Pásztázó hőmikroszkópia

67 Közeltéri Optikai Mikroszkópia NSOM Near-field Scanning Optical Microscope Near-field Scanning Optical Microscope Diffrakciós limit (Ernst Abbe, 1873) Diffrakciós limit (Ernst Abbe, 1873) d = 0.61( o/nsin  )= 0.61( o/NA) Ált: o/2 a maximális felbontóképesség (látható fénynél : nm) Synge felvetése : minta közelében elhelyezett résen keresztül a megvilágítás [Phil. Mag 6, 356, 1928] Synge felvetése : minta közelében elhelyezett résen keresztül a megvilágítás [Phil. Mag 6, 356, 1928]

68 Az optikai képalkotás geometriai és diffrakciós elmélete A különféle rendben elhajlított sugarak a fókuszsíkban egyesülve a tárgy képének kétdimenziós Fourier transzformáltját adják … majd továbbhaladva és a képsíkban interferálva a tárgy valódi képét hozzák létre

69 Az optikai képalkotás diffrakciós elmélete (Abbe) … majd továbbhaladva és a képsíkban interferálva a tárgy valódi képét hozzák létre A különféle rendben elhajlított sugarak a fókuszsíkban egyesülve a tárgy képének kétdimenziós Fourier transzformáltját adják

70 NSOM - kezdetek Ash, Nicholls, mikrohullámon demonstrál (3 cm-es apertúrával l/60-as felbontás) [Nature, 237, p.510, 1972] Ash, Nicholls, mikrohullámon demonstrál (3 cm-es apertúrával l/60-as felbontás) [Nature, 237, p.510, 1972] 1980-as évek közepe Pohl, IBM Zürich [ APL 44(7), p.651, 1984] 1980-as évek közepe Pohl, IBM Zürich [ APL 44(7), p.651, 1984]

71 NSOM – optikai szál Lemez helyett egy- módusú optikai szál esetén az elv Lemez helyett egy- módusú optikai szál esetén az elv

72 NSOM – optikai szál 2. Optikai szál végződés Optikai szál végződés Alumínum bevonat Alumínum bevonat aszimmetrikus vég, romló tulajdonságok aszimmetrikus vég, romló tulajdonságok

73 NSOM – alkalmazott elrendezés

74

75

76 NSOM – optikai alagutazás

77

78 “Közeltér”

79 NSOM – optikai alagutazás

80 NSOM

81 NSOM – alkalmazás 1. Single Molecule Detection Fluorescence NSOM image Single Molecule Detection Fluorescence NSOM image

82 NSOM – alkalmazás 2. Mikroelektronikai hiba keresés – Reflection mode NSOM balra UV Microscope image jobbra

83 NSOM – alkalmazás 3. Optikai hullámvezet ő vizsgálata Optikai hullámvezet ő vizsgálata Surface topography (balra), NSOM (jobbra) Surface topography (balra), NSOM (jobbra)

84 Hasznos címek rfieldmicroscope.htm rfieldmicroscope.htm rfieldmicroscope.htm rfieldmicroscope.htm


Letölteni ppt "Közeltéri mikroszkópiák Dr. Mizsei János Reichardt András."

Hasonló előadás


Google Hirdetések