Közeltéri mikroszkópiák Dr. Mizsei János Reichardt András

Bevezetés „There's Plenty of Room at the Bottom” [Richard P. Feynman, 1959.12.29.] [http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html] Manipulációs és vizsgálati módszerek szükségesek

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

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

Gyűjtemény 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

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

Pásztázó elektronmikroszkóp

Pásztázó elektronmikroszkóp: SE képek

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

Pásztázó Alagút Mikroszkóp Scanning Tunneling Microscope G. Binnig (1947) és H. Rohrer (1933) IBM Research Institut, Zürich, 1982 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)

STM - alapelv Hegyes fémtűt (tip) a felülethez elég közel elhelyezni Az alagútáramot a felület és a tű között mérni A mért árammal a felület és a tű távolságát visszaszabályozni

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

Vázlatos felépítés és egy lehetséges elhelyezés STM – felépítés Vázlatos felépítés és egy lehetséges elhelyezés

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

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

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

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

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

STM tű Elektrokémiai marással NaOH-val

STM – a tű szerepe

STM – mérési módok Állandó magasságú Állandó áramú

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

Alagút áram – 1. megközelítés Fém-vákuum-fém alagút átmenet: Schrödinger egyenlet megoldása: ,ahol I = alagút áram ρs = lokális állapotsűrűség V = a tű feszültsége W = gát szélessége Tipikusan φ ~ 4eV → k ~ 1 Å-1 → az áram e2-tel csökken ~ 7,4x / Å

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.

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 ρt állandó:

STM berendezés Mérés zavaró potenciál jelenlétében

STM – felvételek 1. 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. IBM Almaden Research Institute, www.almaden.ibm.com

STM – felvételek 2. Pt(111) felület IBM Almaden Research Institute, www.almaden.ibm.com

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

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

STM – felvételek 5. UHV STM kép: GaAs, donor, vakancia UHV STM kép: Si <100> felület

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

STM – atomi manipuláció Korall „kép” előállításának lépései IBM Almaden Research Institute, www.almaden.ibm.com

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

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

Pásztázó Atomerő Mikroszkópia - Atomic Force Microscope C. Binnig, 1986 [Binnig, G., Quate, C.F., and Gerber, Ch. (1986) Atomic force microscope. Phys. Rev. Lett. 56(9), 930-933] Nem szükséges minta előkészítés Nem csak vezető minta Nem-vákuumos Valódi 3D Sematikus felépítés [http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_force_microscope]

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

AFM – alapelv / felépítés Részegységek : Lézerforrás Tükör Fotodetektor Erősítő Vezérlő el. Minta és piezomozgató Tű Cantilever

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

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

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

AFM – tű (tip) Tűkészítés:

Folyadék cella AFM-hez Folyadékcella elektrokémiai vizsgálatokhoz

AFM berendezés

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

AFM – a tű hatása: műtermékek

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

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

Patkány hippocampus egy részlete – élő neuron és glia AFM – felvételek 3. Patkány hippocampus egy részlete – élő neuron és glia Antibody modified tips – measure or localise antigens on the surface of a cell [E. Henderson, Prog. Surf. Sci. 46, 1, 39-60 (1994)]. [http://www.sst.ph.ic.ac.uk/photonics/intro/AFM.html]

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]

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

AFM – felvételek 6. Ezüstréteg kölcsönhatása AFM tűvel

AFM – felvételek 7. Ezüstréteg lehántása AFM tűvel

AFM – felvételek 8. Ezüstréteg lehántása AFM tűvel

Nanotechnológia AFM tűvel: anódos oxidáció

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]

Megvalósított chip és a tű jellemzői (néhány száz GB/in2 ) AFM – Millipede 2. Megvalósított chip és a tű jellemzői (néhány száz GB/in2 ) M.I. Lutwyche, et.al. [http://www.zurich.ibm.com/st/mems/millipede.html]

Atomic Force Elecroluminescence Microscopy

AFEM szerves LED mátrixon

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

MFM – Magnetic Force Microscope Mágnesesen bevont hegyű tű alkalmazása AFM-en Critical external field Bits written on magneto-optical media.

Magnetic bubbles and wires in a magnetic memory MFM – felvételek Magnetic bubbles and wires in a magnetic memory R.M. Westervelt, Harvard University. 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. 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. Pic1. Magnetic bubbles and stripes in 8 µm thick magnetic garnet film; 100 µm scan. Such films were originally developed for magnetic bubble memories, in which external fields generate, annihilate, and move bubbles at high speed through the high-mobility, low-coercivity garnet. Garnet film courtesy of R.M. Westervelt, Harvard University. Magnetic force gradient image of servo patterns on a hard drive. 72µm scan.

Elektrosztatikus Erő Mikroszkópia (Kelvin Force Microscopy)

Elektrosztatikus Erő Mikroszkópia Kelvin Force Microscopy: AFM + Kelvin Vcpd

Elektrosztatikus Erő Mikroszkópia Kelvin Force Microscopy: képek 700000V/m 700000V/m A felület elektrosztatikus feltöltése: AFM tűvel, kontakt módban

Pásztázó hőmikroszkópia

Közeltéri Optikai Mikroszkópia NSOM Near-field Scanning Optical Microscope Diffrakciós limit (Ernst Abbe, 1873) d = 0.61(o/nsin)= 0.61(o/NA) Ált: o/2 a maximális felbontóképesség (látható fénynél : 250-300 nm) Synge felvetése : minta közelében elhelyezett résen keresztül a megvilágítás [Phil. Mag 6, 356, 1928] The diffraction limit in conventional microscopy arises from the size of the spot that a light beam can be focused to with normal lens elements. At the focal point, the beam forms a symmetric pattern of concentric rings known as the Airy disk pattern.

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

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

NSOM - kezdetek Ash, Nicholls, 1972. 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]

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

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

NSOM – alkalmazott elrendezés

NSOM – alkalmazott elrendezés

NSOM – alkalmazott elrendezés

NSOM – optikai alagutazás

NSOM – optikai alagutazás

NSOM – optikai alagutazás “Közeltér”

NSOM – optikai alagutazás

NSOM

NSOM – alkalmazás 1. Single Molecule Detection Fluorescence NSOM image

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

NSOM – alkalmazás 3. Optikai hullámvezető vizsgálata Surface topography (balra), NSOM (jobbra) Single Molecule Detection Studies Fluorescence NSOM image of single DiI (Molecular Probes D-383) molecules on a poly (methylmethacrylate) film spin coated onto a fused quartz substrate. The vertical scale (and false color mapping) indicates the number of photons of fluorescence detected per pixel (20 msec integration time). The relative intensitites and apparent shapes of the single molecule images can be used to determine their molecular orientation with respect to the electric fields at the end of the NSOM tip. The apparent size of the molecules reflects the size of the optical aperture at the end of the tip rather than that of the molecules. The image was recorded with an Aurora NSOM that had been modified with an oil immersion objective (1.25 NA) for efficient collection of the fluorescence and a single-photon-counting avalanche photodiode for detection of the fluorescence. The fluorescence was excited through the NSOM tip with the 514 nm line of an argon ion laser. Images courtesy of Paul F. Barbara.

Hasznos címek http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_tunneling_microscope http://www.veeco.com/nanotheatre http://www.nanopicoftheday.org http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/stm.html http://www.mobot.org/jwcross/spm http://www.physics.ucsb.edu/~awschalom/techniques/nsom.html http://www.physics.mq.edu.au/~goldys/optmicroweb/nearField/nearfieldmicroscope.htm http://www.fys.kuleuven.ac.be/vsm/spm/introduction.html