K

1
Közeltéri mikroszkópiák

• Dr. Mizsei János
• Reichardt András

2
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

3
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

4
Közeltéri általános meggondolás

• gerjesztés mikrotartományban (közeltér), az
  analízis globálisan
• gerjesztés globálisan, az analízis
  mikrotartományban (közeltér)
• a gerjesztés is és az analízis is közeltéri

5
Gyujtemény
SEM scanning electron microscope STM scanning
tunneling microscope AFM atomic force
microscope contact AFM non contact AFM
dynamic contact AFM 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
6
Pásztázó elektronmikroszkóp (nem közeltéri ?)

• Elvi muködés 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 repülo
• elektronokat látja)

repedés
SE kép
10
Pásztázó Alagút MikroszkópScanning 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/inde
  x.html
• (1986, Ruska (sz. 1906, m. 1988) az
  elektronoptika terén elért eredmények és az elso
  elektronmikroszkóp megalkotásáért)

11
STM - alapelv

• Hegyes fémtut (tip) a felülethez elég közel
  elhelyezni
• Az alagútáramot a felület és a tu között mérni
• A mért árammal a felület és a tu távolságát
  visszaszabályozni

12
STM - alapelv
Fémek esetén összeérintéskor a Fermi-szintek
beállnak Külso tér segít az alagutazásban
13
STM felépítés

• Vázlatos felépítés és egy lehetséges elhelyezés

14
STM - problémák

• Megvalósítás során megoldandó problémák
• Zajvédelem
• Mechanikai
• Elektronikai
• Piezo mozgatás
• STM tu

15
STM mechanikai zajvédelem

• 1-nál kisebb mechanikai zaj az áramban lt1pm
• 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
16
STM piezo mozgatás

• Minta/fej mozgatás piezo motoros megoldással

Nagy méret, így kis rezonancia Jelentos
nem-linearitás
Kompakt méret Hosszával csökken a torzítás
17
STM - tu

• Az alagútáram exponenciális jellege miatt a tu
  kialakítása lényeges. Ideális esetben egyatomos a
  hegy.

Hegyes tu
Tompa tu
18
STM a tu szerepe
19
STM mérési módok

• Állandó magasságú
• Állandó áramú

20
STM berendezés

• Mérés zavaró potenciál jelenlétében

21
STM felvételek 1.

• Korall
• Cu(111) felületen Fe atomokkal (48 db)
  kialakított struktúrad71.3 Angstrom
• Állóhullámok az állapotsuruség mintázatban
  (psi2)

IBM Almaden Research Institute,
www.almaden.ibm.com
22
STM felvételek 2.

• Pt(111) felület

IBM Almaden Research Institute,
www.almaden.ibm.com
23
STM felvételek 3.

• Cr szennyezo-atomok a Fe(001) felületen -
  kicsiny hupplik

NASA
24
STM felvételek 4.
SnO2-Pd gázérzékelo felület megváltozása H2
adszorpció hatására
25
STM felvételek 5.
UHV STM kép GaAs, donor, vakancia
UHV STM kép Si lt100gt felület
26
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
27
STM atomi manipuláció

• Korall kép eloállításának lépései

IBM Almaden Research Institute,
www.almaden.ibm.com
28
STM atomi manipuláció

• Variációk egy témáraazonban a legszebb az
  eredeti korall!

29
STM SEM összehasonlítás

• Variációk egy témára

Forrókatód, geometriailag távol
Hidegkatód
30
Pásztázó Atomero 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 elokészítés
• Nem-vákuumos
• Valódi 3D
• Sematikus felépítés

http//en.wikipedia.org/wiki/Atomic_force_microsc
ope
31
AFM - alapelv

• A tu által érzékelt erohatás mérése atomi
  távolságra a felülettol

Taszító erohatás
Lenard-Jones potenciál
Vonzó erohatás
32
AFM alapelv / felépítés

• Részegységek
• Lézerforrás
• Tükör
• Fotodetektor
• Erosíto
• Vezérlo el.
• Minta és piezomozgató
• Tu
• Cantilever

33
AFM mérési módok

• Contact Ero nagyságának állandóan tartása
• Non-contact (dynamic) rezonancia frekv.
  környéki rezgetés a rezgést a tu-felület
  kölcsönhatás megváltoztatjaltkisebb nyíró hatás a
  mintára mint contact-nálgt
• - frekvencia modulálás minta karaktere
• - amplitúdó moduláció topográfia (intermittent
  contact or tapping mode)(fázis változás
  anyagtípus azonosítás)

34
AFM tu (tip)

• Néhány tu

Normal tip (3 um) 30 nm lekerekítési sugár
Ultralever (3 um) 10 nm lekerekítési sugár
Supertip
35
AFM tu (tip)

• Tukészítés

36
AFM berendezés
37
AFM a tu hatása

• Broadening a tu széle hamar ér a vizsgált
  mintához
• Compression puha minta (pl. DNA) összenyomja a
  mintát
• Interaction forces megváltozik a kölcsönható
  ero
• Aspect ratio hirtelen/ugrásos minta esetén

1
2
1,2 http//spm.phy.bris.ac.uk/techniques/AFM/
38
AFM a tu hatása mutermékek
39
AFM felvételek 1.
clusters on terraces. Non-contact.
from http//www.physics.purdue.edu/nanophys
40
AFM felvételek 2.

• Szén nanocsövek a felületen

Katholieke Universiteit Leuven http//www.fys.ku
leuven.ac.be/vsm/spm/gallery.html
41
AFM felvételek 3.
Patkány hippocampus egy részlete élo 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.ht
ml
42
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

43
AFM felvételek 5.

• Topographic image of a TFT LCD display50x50
  micron

Micro Photonics Inc. http//www.microphotonic
s.com/academia.html
44
AFM felvételek 6.

• Ezüstréteg kölcsönhatása AFM tuvel

45
AFM felvételek 7.

• Ezüstréteg
• lehántása
• AFM tuvel

46
AFM felvételek 8.

• Ezüstréteg lehántása AFM tuvel

47
Nanotechnológia AFM tuvel anódos oxidáció
48
AFM - Millipede

• Nagysuruségu adattároló eszközMillipede,
  IBMCell size 9292 µm²(array 33 mm² )

M.I. Lutwyche, et.al. http//www.zurich.ibm.com/
st/mems/millipede.html
49
AFM Millipede 2.

• Megvalósított chip és a tu jellemzoi (néhány száz
  GB/in2 )

M.I. Lutwyche, et.al. http//www.zurich.ibm.com/
st/mems/millipede.html
50
Tus letapogatás (Talystep), szegényember AFM-je
51
MFM Magnetic Force Microscope

• Mágnesesen bevont hegyu tu alkalmazása AFM-en

Bits written on magneto-optical media.
52
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.
Magnetic force gradient image of servo patterns
on a hard drive. 72µm scan.
53
Elektrosztatikus Ero Mikroszkópia(Kelvin Force
Microscopy)
54
Elektrosztatikus Ero Mikroszkópia Kelvin Force
Microscopy AFM Kelvin
V
Vcpd
55
Elektrosztatikus Ero Mikroszkópia Kelvin Force
Microscopy képek
700000V/m
700000V/m
A felület elektrosztatikus feltöltése AFM tuvel,
kontakt módban
56
Pásztázó homikroszkópia
57
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

58
Az optikai képalkotás geometriai és diffrakciós
elmélete
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
59
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
60
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

61
NSOM optikai szál

• Lemez helyett egy-módusú optikai szál esetén az
  elv

62
NSOM optikai szál 2.

• Optikai szál végzodés
• Alumínum bevonat
• aszimmetrikus vég, romló tulajdonságok

63
NSOM alkalmazott elrendezés
64
NSOM alkalmazott elrendezés
65
NSOM optikai alagutazás
66
NSOM optikai alagutazás
67
NSOM optikai alagutazás
Közeltér
68
NSOM optikai alagutazás
69
NSOM
70
NSOM alkalmazás 1.

• Single Molecule Detection Fluorescence NSOM image

71
NSOM alkalmazás 2.
Mikroelektronikai hiba keresés Reflection
mode NSOM balra UV Microscope image jobbra
72
NSOM alkalmazás 3.

• Optikai hullámvezeto vizsgálata
• Surface topography (balra), NSOM (jobbra)

73
Hasznos címek

• http//en.wikipedia.org/wiki/Scanning_tunneling_mi
  croscope
• 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/n
  earField/nearfieldmicroscope.htm
• http//www.fys.kuleuven.ac.be/vsm/spm/introduction
  .html