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

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 10-1000 eV tartományban, összemérhető a szokásos rácsállandókkal:   10 Angstroms ( 1 nm ) 15 < E/eV < 350   20 Angstroms ( 2 nm ) 10 < E/eV < 1400 , s ez eredményezi a nagy felületérzékenységet.

Field Emission Microscopy (FEM) Field Ion Microscopy (FIM) FEM-FIM ( téremissziós mikroszkópia, térionizációs mikroszkópia) FEM-FIM 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.

Field Emission Microscopy (FEM) Field Ion Microscopy (FIM) FEM-FIM ( téremissziós mikroszkópia, térionizációs mikroszkópia) FEM-FIM 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 10 - 20 kV nagyságrendű feszültséget kapcsolunk. modell FIM kép

Nagyítás FEM-FIM N = a minta – csúcs távolság / csúcs görbületi sugár A téremissziós (térionizációs) mikroszkóp felépítése FEM-FIM hűthető mintatartó nagy feszültség betekintő ablak minta Nagyítás N = a minta – csúcs távolság / csúcs görbületi sugár 10 cm / 10 nm ~ 107 leképező gáz (He)

Low Energy Electron Diffraction (LEED) LEED ( kis energiájú elektrondiffrakció) LEED kísérleti elrendezés fékező rácsok elektron ágyú minta kollektor felület LEED analizátor Tipikus energia tartomány: 20-200 eV, amely esetében a kb. 0.3 nm rácsállandójú síkrácsok 10-15 cm távolságban jól elkülönülő (10-15 mm) diffrakciós pontok jelennek meg.

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

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).

Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED) RHEED ( reflexiós nagy energiájú elektrondiffrakció) RHEED 88 fokos beesési szög esetén 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.

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

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

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

SPM az alagutazás elektronszerkezeti értelmezése Y( z) = Y(0) e-kz ahol k = [2m(U-E)]1/2 /h a Fermi-szint körüli betöltött és betöltetlen állapotok fontossága

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.

sávszerkezeti kép SPM potenciál gát leképező tű sávszerkezeti kép betöltetlen elektron állap. A minta-tű távolsággal exponenciálisan csökkenő alagútáram ! betöltött elektron állap. potenciál gát véges magasság véges szélesség a leképező feszültség 0.01-5.00 V nagyságrendű a leképező áram 0.05-5.00 nA nagyságrendű leképező tű

a nagy laterális felbontás értelmezése SPM a nagy laterális felbontás értelmezése Y( z) = Y(0) e-kz ahol k = [2m(U-E)]1/2 /h tartózkodási valószínűség : P ~ |Y(0)|2 e-2kz EF ily módon az alagútáram speciális esetben : I ~ S |Yn (0)|2 e-2kz En = EF-eV E amennyiben a lokális állapot sűrűség definícióját felhasználjuk rs(z, E) = S |Yn (0)|2 En=E-e azt kapjuk, hogy az alagútáram I ~ V * rs(z, EF)

SPM 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.

Az STM, mint nanomanipulátor SPM 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). SPM Carbon Monoxide Man Carbon Monoxide on Platinum (111) The Beginning Xenon on Nickel (110)

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

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