Stm I od mikroskopii sił atomowych



Pobieranie 32.2 Kb.
Data02.05.2016
Rozmiar32.2 Kb.
Wykład 2
Metody wykorzystując sondy skaningowe

Metody wytwarzania mikro- i nanostruktur za pomocą skaningowych sond biorą swój początek od skaningowej mikroskopii tunelowej (ang. scanning tunnelling microscopy - STM) i od mikroskopii sił atomowych (ang. atomic force microscopy AFM), która została odkryta pięć lat po odkryciu STM. Rola tych metod dość szybko ewoluowała od badania fizycznych podstaw tych metod do praktycznego ich zastosowania. Metody STM i AFM łączą w sobie możliwość otrzymywania obrazów powierzchni o rozdzielczości atomowej i możliwości wykorzystywania tej rozdzielczości do budowy mikro- i nanomateriałów.



Fizyczne podstawy STM i AFM

Zasady działania pierwszego skaningowego mikroskopu zaproponowano w 1981 roku.

Fizyczną podstawę skaningowej mikroskopii tunelowego tworzą zjawiska tunelowania elektronów z powierzchni próbki do przewodzącego ostrza mikroskopu. Rozważmy schemat działania STM pokazany na rys.2.1. Załóżmy, że ostrze mikroskopu (sonda) ma na końcu ostrza jeden atom. Przy odległości między sondą i powierzchnią porównywalną z odległościami międzyatomowymi, tj. 0,1 ÷ 0,3 nm, funkcje falowe elektronów atomu sondy i najbliższego do niego atomu powierzchni, będą nakrywać się na siebie, dzięki czemu elektrony mogą przechodzić z ostrza sondy do atomu powierzchniowego i odwrotnie: z atomu powierzchniowego do ostrza. Który z procesów będzie miał miejsce, zależy od znaku przyłożonego napięcia. W wyniku zjawiska tunelowania następuje przepływ prądu.

Rys.2.1. Schemat działania skaningowego tunelowego mikroskopu

W mechanice kwantowej udowodniono, że prawdopodobieństwo tunelowania określa wzór

, (2.1)

gdzie - stała Plancka, - masa elektronu, - ładunek elektronu; - przyłożone napięcie; - odległość między ostrzem a powierzchnią.

Prąd tunelowy jest proporcjonalny do prawdopodobieństwa tunelowania, które, jak widać z (2.1) eksponencjalnie zależy od . A zatem możliwe jest uzyskanie informacji o topografii powierzchni poprzez zmianę wysokości położenia sondy za pomocą piezoelektrycznego układu sterującego. Technika STM umożliwia otrzymanie obrazów o rozdzielczości atomowej w płaszczyźnie prostopadłej do sondy. Wartość prądu tunelowego zależy również od rodzaju atomów znajdujących się na powierzchni i jakie jest ich otoczenie chemiczne. Do pomiarów techniką STM nie jest wymagana próżnia.

Mikroskopy STM są realizowany na dwa różne sposoby: w trybie stałej odległości i w trybie stałego prądu. W pierwszej metodzie końcówka sondy, która zwykle wytwarza się z wolframu, porusza się w płaszczyźnie równoległej do stolika, na którym umieszczona jest próbka. Podstawą do zobrazowania w tej metodzie jest natężenie prądu zmierzone w każdym punkcie powierzchni. W drugiej metodzie, przeprowadzonej z zachowaniem stałej wartości prądu tunelowego, odległość końcówki sondy od powierzchni zmienia się w każdym punkcie tak, by natężenie prądu pozostawało stałym. W tym wariancje eksperymentu STM podstawą obrazowania powierzchni są odległości położenia sondy od powierzchni.

Zdolność rozdzielcza pionowa metody STM osiąga 0,01 ÷ 0,05 nm, a pozioma – około 0,3 nm. To pozwala „zaobserwować” rozmieszenie atomów na powierzchni i rozróżnić obszary o różnym składzie atomowym.

Ograniczeniem techniki STM są wymagania, żeby badana próbka miała dobre przewodnictwo elektryczne, dla tego, żeby natężenie prądu tunelowego było wystarczającym do rejestracji. To powoduje, że technika STM nie może być stosowana do izolatorów, które, jak wiemy, nie zawierają swobodnych elektronów zdolnych do przewodzenia prądu.

W mikroskopii sil atomowych (ang. atomic force microscopy - AFM) sonda mikroskopu skanuje powierzchnię, rejestrując siłę oddziaływania międzyatomowego (rys.2.2), a nie prąd, w funkcji położenia. AMF można wykorzystywać w warunkach wysokiej próżni, normalnej atmosfery lub nawet w warunkach, gdy badana próbka oraz sonda są zanurzone w cieczy. Ta ostatnia możliwość pozwala stosować AMF do badań układów biologicznych.

W metodzie AFM ostrze (tip na rys.2.2a) jest umieszczone na końcu dźwigni (cantilever na rys.2.2a) o długości od 100 do 200 , która ugina się w wyniku działania sił między sondą a powierzchnią. Gdy koniec ostra przesuwa się wzdłuż powierzchni (lub próbka przesuwa się pod ostrzem), ugięcie dźwigni zazwyczaj mierzy się metodą optyczną za




Rys.2.2. Schemat budowy mikroskopu sił atomowych (a) oraz wykres oddziaływania atomów ostrza i próbki (b). Na (c) obraz AFM kompozytu z włókien węglowych

pomocą zogniskowanej wiązki lasera, która trafia do fotodetektora po odbiciu od powierzchni dźwigni. Każde odchylenie dźwigni wywołuje zmianę pozycji plamki lasera na detektorze, dzięki czemu możliwe jest wyznaczenie zmiany położenia dźwigni z dokładnością poniżej 1 nm.

Spośród wielu typów oddziaływań, które są źródłem sił działających na dźwignie AFM, dominujące są przyciągające oddziaływania van der Waalsa oraz odpychanie elektrostatyczne. Zależność wielkości tych sił od odległości od powierzchni zilustrowana jest na rys.2.2a. Gdy sonda znajduje się w odległości kilku angstremów od próbki (region intermittent contact na rys.2.2b) działające na nią siły są siłami odpychającymi. Efekt ten powstaje wskutek nakładania się chmur elektronowych atomów ostrza i powierzchni próbki. Region bezkontaktowy (non-contact na rys.2.2) wys-



tępuje w przedziale odległości ostrze – próbka od dziesięciu do kilkuset angstremów. Dla takich odległości oddziaływania są głównie przyciągające, co jest wynikiem dominacji oddziaływań van der Waalsa (rys.2.2b).

Metoda AFM może być używana do pomiaru właściwości sprężystych w danym punkcie na powierzchni lub nawet całej powierzchni. W tym przypadku monitorowana jest, w funkcji wysokości, składowa prostopadła do powierzchni siły działające na dźwignie. Otrzymana w ten sposób zależność siły od odległości będzie się zmieniała wraz ze zmieniającymi się lokalnymi właściwościami sprężystymi powierzchni.


Inne techniki z użyciem sondy skanującej


W ostatnie lata opracowani kilka innych technik wykorzystujących sondy skanujące. Technika mikroskopii modulacyjnej (angl. force modulation microscopy) polega na pomiarze podczas którego ostrze sondy oscyluje periodyczne. Mierzoną wielkością jest amplituda i czasem przesunięcie fazowe oscylacji dźwigni. Technika ta daje możliwość otrzymać informację o właściwościach sprężystych materiału. Inna technika – boczna mikroskopia siłowa (ang. lateral force microscopy - LFM) polega na pomiarze wygięcia dźwigni w płaszczyźnie równoległej do powierzchni próbki. Dzięki temu otrzymujemy informację o siłach działających w tej płaszczyźnie, przez co możemy badać zmiany w tarciu powierzchniowym, które mogą być wynikiem niejednorodności powierzchni.

Technika mikroskopia sił magnetycznych (ang. magnetic force microscopy - MFM) używana do obrazowania rozkładu sił magnetycznych na powierzchni próbki, dzięki czemu można obserwować magnetyczne właściwości powierzchni (rys.2.3). W tej technice ostrze mikroskopu pokryte jest cienką błoną ferromagnetyczną, a podczas eksperymentu mierzone są zmiany w częstotliwości rezonansowej dźwigni, indukowane przez oddziaływanie magnetyczne między próbką a ostrzem. Do pomiarów z wysoką czułością stosuje się dźwignię oscylującą z częstością 70 kHz. Ostrze jest czułe na gradient siły , który powoduje zmianę częstości drgań dźwigni.



Rys.2.3. Schemat działania MFM. Próbka jest namagnesowana w płaszczyźnie, co powoduje powstawanie pola rozproszenia nad próbką pionowo w górę (strzałki A) i w dół (strzałki B). Ostrze jest namagnesowane w dół, a zatem będzie odpychane w punktach A i przyciągane w punktach B.

W podobny sposób działa mikroskop sił elektrostatycznych (EFM). W tej metodzie jest przyłożona różnica potencjałów między próbką a sondą umieszczoną na dźwigni, która wibruje w trybie bezkontaktowym. Metoda EFM pozwala badać domeny ferroelektryków. Skaningowa mikroskopia pojemnościowa (SCM) pozwala mierzyć zmiany pojemności elektrycznej powierzchni i jest używana do obrazowania właściwości dielektrycznych materiału, które są zależnie od grubości warstwy lub obecności nośników prądu w głębszych warstwach.

Inżynieria atomowa


Oprócz zastosowania skaningowej mikroskopii tunelowej w badaniach naukowych ta technika znalazła szerokie zastosowanie w inżynierii atomowej – w manipulowaniu atomami na powierzchni ciała stałego. Rozróżniają procesy równoległego i prostopadłego przemieszczenia atomów. W procesach równoległego przemieszczenia atomy przemieszają wzdłuż powierzchni materiału. W przypadku prostopadłego przemieszczenia atomy przemieszczają na ostrze sondy z powrotem na powierzchnię materiału. W dwóch przypadkach powierzchnia materiału zostaje przebudowana na poziomie atomowym.

W przypadku przemieszczenia równoległego stosują się dwie metody: metoda dyfuzji polowej i metoda ślizgania. W metodzie dyfuzji polowej silne niejednorodne pole elektryczne wytwarzane między ostrzem sondy i powierzchnią wymusza adsorbowany na powierzchni atom dyfundować wzdłuż powierzchni materiału. Natężenie tego pola może być rzędu 40 V/nm.



Rys.2.4. Energia potencjalna atomu na powierzchni materiału bez pola elektrycznego (górna część rysunku) i w przypadku istnienia niejednorodnego pola (dolna część rysunku)

Oddziaływanie momentu dipolowego adsorbowanego atomu z niejednorodnym polem elektrycznym indukowanym w jego otoczeniu sondą, powoduje dyfuzję atomu w kierunku zmniejszenia gradientu potencjału. Moment dipolowy adsorbowanego atomu składa się z własnego momentu dipolowego atomu (jeżeli atom posiada taki moment dipolowy) i momentu indukowanego (gdzie - polaryzowalność atomu i - natężenie pola elektrycznego w punkcie określonym wektorem ). Oddziaływanie momentu dipolowego atomy z polem elektrycznym zmienia energię potencjalną atomu o

. (2.2)

Energia potencjalna (2.2) sumuje się z okresowym potencjałem powierzchni (rys.2.4a), wskutek czego powstaje potencjalny relief (rys.2.4 dolna część rysunku), który powoduje, że atom dyfunduje w obszar znajdujący się bezpośrednio pod ostrzem sondy.

W metodzie ślizgania ostrze sondy przesuwa się ku atomowi na odległość, gdy zaczynają działać siły międzyatomowego oddziaływania. To powoduje, że atom powierzchniowy staje się mniej związany z powierzchnią materiału. Przesunięcie sondy wzdłuż powierzchni powoduje, że wybrany atom „toczy się” (ślizga) po powierzchni podłoża. Po przemieszczeniu atomu w określony punkt napięcie na ostrze zmniejsza się i ostrze sondy zostaje odsunięte od powierzchni (rys.2.5).

Rys.2.5. Schemat manipulowania atomami metodą ślizgania

W procesach prostopadłego przemieszczenia poszczególne atomy, molekuły albo ich grupy przenoszą się z określonego miejsca na powierzchni podłoża na ostrze sondy i z ostrza - na podłoże w innym miejscu (rys.2.6). Energia potrzebna dla takiego procesu odpowiada barierze potencjalnej, którą musi przekroczyć cząstka znajdująca na powierzchni podłoża. Wielkość tej bariery zależy od odległości między sondą i powierzchnią podłoża, oraz od wielkości i kierunku działania pola elektrycznego w szczelinie mikroskopu. W zależności od efektywności działania pola elektrycznego manipulacja atomami może być realizowana za pomocą migracji kontaktowej, wyparowania polowego albo elektromigracji.

W metodzie migracji kontaktowej ostrze sondy zbliża się do wybranego atomu na odległość, przy którym wartość siły przyciągania ostrza i atomu są wystarczająco duże do oderwania atomu od podłoża.



Rys.2.6. Ostrze AFM tworzące nanostrukturę

Potem ostrze z oderwanym atomem odsuwa się od powierzchni i zostaje przemieszczone w inne miejsce podłoża. Migracja kontaktowa wykonuje się bez przyłożenia z zewnątrz pola elektrycznego.

Rys.2.7. Sztuczny ring z 48 atomów żelazu na podłożu z miedzi. Średnica ringu 14,26 nm



Wyparowanie polowe opera się na zjawisku jonizacji atomu w polu elektrycznym i następnej dyfuzji jonów na ostrze sondy. Po przejściu jonu na ostrze, jon zostaje przemieszony w inne miejsce podłoża.

Elektromigracja atomu w obszarze sonda – podłoże podlega tym samym prawom jak migracja ładunków w ciele stałym. Strumień nośników ładunku porywa za sobą poszczególne atomy, dzięki oddziaływaniu

kulombowskiemu, jak i dzięki przekazywaniu swojej energii kinetycznej atomom przy zderzeniach niesprężystych. Elektromigracja atomowa jest zjawiskiem odwracalnym i nie posiada progowych ograniczeń na naprężenie w szczelinie pomiędzy ostrzem i powierzchnią. Dla efektywnej elektromigracji gęstość prądu elektrycznego musi być wystarczającej dla tego, żeby przeprowadzić przemieszczane atomy w wzbudzone stany oscylacyjne.

Klasyczny przykład, ilustrujący możliwości manipulowania atomami na powierzchni ciała stałego jest pokazany na rys.2.7. Sztuczny „koral” jest zbudowany z 48 atomów żelazu na powierzchni z miedzi. Obraz otrzymany za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego przedstawia sobą rozkład gęstości stanów elektronowych, odpowiadających atomom żelaza i miedzi.


Lokalne utlenienie metalów i półprzewodników


Sondy skaningowe pozwalają wykonywać lokalne utlenienie materiału podłoża. Utlenianie zachodzi w powietrzu za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego albo sondy mikroskopu sił atomowych, wyprodukowanego z materiału przewodzącego. Proces ten jest podobny do procesu zwykłego utleniania anodowego elektrochemicznego (rys.2.8).

Rys.2.8. Lokalne utlenianie krzemu (z lewej strony) i błony metalowej (z prawej strony)

W metodzie anodowego utleniania na sondę jest przyłożony ujemny względem podłoża potencjał. Wilgoć z otoczenia wykonuje rolę elektrolitu. Silne pole elektryczne powoduje, że molekuły wody kondensują się na ostrze sondy. Tam zachodzi dysocjacja molekuł wody: . Pole elektryczne rozdziela jony, kierując grupy ku podłożu. Na powierzchni podłoża oddziaływanie grup z materiałem podłoża utleniają podłożę. Grubość powstałej utlenionej warstwy zależy od natężenia pola elektrycznego, które obniża barierę potencjalną dla dyfuzji ujemnych jonów przez rosnącą warstwę utlenionego materiału.

Lokalne utlenianie za pomocą sondy może być zrealizowano na wszystkich materiałach, które zezwalają elektrochemiczne utlenianie anodowe. Paski o grubości od 1 do 10 nm z utlenionych krzemu, aluminium, niobu (), tytanu () i drugich pierwiastków bez defektów otrzymują się przy prędkości skanowania od 1 do 10 . Ich wykorzystują jako elementy nanoskopowych przyrządów, a również jako maski do selektywnego trawienia. To pozwala wytwarzać przyrządy elektroniczne o rozmiarze kilku nanometrów.


Profilowanie powierzchni za pomocą sond skanujących


Skanujące sondy wykorzystują się dla obróbki (profilowania) elektronowej i mechanicznej struktury powierzchni błon. W przypadku formowania elektronowego stanu powierzchni podłoża ostrze sondy (zwykle to jest sond mikroskopu sił atomowych - AFM) wykorzystuje się jako źródło elektronów o niskiej energii. Żeby zwiększyć zdolność mikroskopu AFM emitować elektrony sonda mikroskopu pokrywa się metalem łatwo „oddającym” elektrony, na przykład złotem. Przy bezkontaktowym skanowaniu na sondę podaje się ujemny potencjał o wielkości 5 – 20 V. W ciągu skanowania szczelina pomiędzy sondą i podłożem oraz strumień elektronów z sondy podtrzymują się stałymi. Taka metoda pozwala wytwarzać rysunek o rozmiarach elementów około 30 nm na błonie o grubości 60 – 70 nm.

Wykorzystywanie niskoenergetycznych elektronów eliminuje ich rozpraszanie od granicy rezyst – podłoże i znacznie zmniejsza generację wtórnych elektronów. Te dwa faktory znacznie ulepszają zdolność rozdzielczą metody stosowania sond skanujących w porównaniu z tradycyjną wysokoenergetyczną litografią elektronowo- promieniową. Bezkontaktowe sondy łatwo można zgrupować w głowicy, zawierające kilku sond, wysokość rozmieszczenia każdego z których zmienia się indywidualnie, co pozwala jednocześnie obrabiać kilku podłoży.



Sonda AMF, pracującego w reżymie kontaktowym, może być wykorzystana jak dla mechanicznej modyfikacji błony rezysta i tworzenia maski z następnym jej trawieniem, tak i dla bezpośredniego usunięcia materiału (metalu) zwykłym zdrapaniem. W tym przypadku sonda wykorzystuje się jako precyzyjne narzędzie do formowania rowek w błonie metalicznej albo na powierzchni rezystu.





©absta.pl 2016
wyślij wiadomość

    Strona główna