vol2

AFM: tryb bezkontaktowy
¾ Ramię igły wprowadzane w drgania o małej
amplitudzie (rzędu 10 nm)
¾ Pomiar zmian amplitudy drgań pod wpływem
sił (na ogół przyciągających)
¾ Zbliżanie igły do próbki aż do osiągnięcia
żądanej amplitudy drgań (mniejszej niż
amplituda drgań swobodnych)
¾ Pętla sprzężenia zwrotnego utrzymuje stałą
średnią wartość amplitudy drgań.
¾ Pomiar bardzo miękkich próbek, próbek
biologicznych itp.
f = f0
F ′( z )
1−
k0
Częstotliwość
Gradient sił
St. sprężystości
non-contact_mode2.swf
Częstotliwość drgań swobodnych
AFM: tryb bezkontaktowy
Wirus na powierzchni polimeru (PARK)
Nanorurki węglowe
(PARK)
AFM: modulacja częstotliwości drgań
¾ Ramię igły wprowadzane w drgania o małej
amplitudzie (rzędu 10 nm)
¾ Stosunek sygnału do szumu może zostać
zwiększony przez zwiększenie dobroci Q układu –
jednak duża dobroć powoduje zmniejszenie
zakresu częstotliwości pracy igły
¾ Igła pracuje przy częstotliwości rezonansowej.
Jeśli częstotliwość ulegnie zmianie (na skutek
oddziaływań), układ sprzężenia zwrotnego
utrzymuje częstotliwość rezonansową.
Frequency_Modulation_mode.swf
Farmaceutyki
(Bruker)
AFM: metody wielokrotnego skanowania
¾ Cel: pomiar własności powierzchni (elektrycznych, magnetycznych,
mechanicznych i innych) z usunięciem wpływu topografii powierzchni
¾ Pomiar topografii podczas pierwszego przejazdu igły
¾ Profil topografii wykorzystywany do sterowania układu skanera
podczas drugiego przejazdu
¾ Pomiar własności badanej podczas drugiego przejazdu
¾ W niektórych metodach trzy przejazdy (np. usuwanie wpływu
topografii i pół elektrostatycznych na pomiar własności
magnetycznych).
¾ Wymagania: stabilność czasowa układu skanującego (brak dryfu
pomiędzy przejazdami), niezmienna powierzchnia próbki
¾ Metoda stosowana również w nanolitografii i nanomanipulacji
Siły elektrostatyczne (EFM)
¾ Igła przewodząca
¾ Przy pierwszym przejeździe pomiar topografii (np. częściowy
kontakt)
¾ Przy drugim przejeździe wzbudzane drgania igły (przetwornik
piezo), igła uziemiona lub spolaryzowana.
¾ Pod wpływem sił elektrostatycznych zmienia się amplituda i faza
drgań
¾ Pomiar tych zmian pozwala wyznaczyć lokalny rozkład pól
elektrostatycznych
¾ Wynik otrzymywany na podstawie drugiej pochodnej pojemności
liczonej wzdłuż kierunku „z” – zmniejsza wpływ pojemności ramienia
igły i zwiększa rozdzielczość metody.
Elecric_Force_Microscopy2.swf
Siły elektrostatyczne (EFM)
Mapping nanoscale efficiency variations in plastic solar cells
David Coffey and David GingerTime-resolved electrostatic force microscopy reveals efficiency variations in plastic solar cells
with 100nm resolution.27 February 2007, SPIE Newsroom. DOI: 10.1117/2.1200702.0636
Pojemność (SCM)
¾ Przy pierwszym przejeździe pomiar topografii
¾ Przy drugim przejeździe do igły przyłożony potencjał o składowej
stałej i składowej modulowanej
¾ Informacje mogą być uzyskiwane także z drugiej harmonicznej –
częstotliwość zmian potencjału =1/2 częstotliwości drgań igły
Fel ( z ) =
1
(Vi − V p )2 ⎛⎜ dC ⎞⎟ F2 (z ) = 1 dC Vac 2 sin (2ωt )
2
2 dz
⎝ dz ⎠
Scanning_Capacitance_Microscopy2.swf
Jony osadzone na powierzchni krzemu
(PARK) – topografia, amplituda SCM i faza SCM
Potencjał kontaktowy - Kelvin Probe (KFM)
¾ Pomiar potencjału kontaktowego
¾ W pierwszym przejeździe pomiar topografii
¾Przy drugim przejeździe igła na stałej wysokości nad próbką, do
igły przyłożony potencjał o składowej stałej i składowej modulowanej
¾ Układ sprzężenia zwrotnego zmienia wartość składowej stałej aż do
zaniku składowej zmiennej siły wywieranej na igłę
¾ Dla takich warunków potencjał igły jest równy lokalnemu
potencjałowi powierzchni
Fel (z ) =
1
(Vi − φ p )2 ⎛⎜ dC ⎞⎟
2
⎝ dz ⎠
Kelvin_Probe_Microscopy2.swf
F1 ( z ) =
dC
(Vdc − Φ p )Vac sin ωt
dz
Potencjał kontaktowy (Kelvin probe)
Złącze p-n (NT-MDT)
Układy scalone (PARK)
Siły magnetyczne (MFM)
¾ Igła pokryta warstwą magnetyka
¾ W pierwszym przejeździe pomiar topografii
¾ Przy drugim przejeździe igła na stałej wysokości
nad próbką - wysokość duża w stosunku do zasięgu
sił Van der Waalsa
¾ Wygięcie ramienia igły jest proporcjonalne do siły
oddziaływań magnetycznych igły i próbki
¾ Igła może być traktowana w przybliżeniu jako dipol
magnetyczny
¾ Rozdzielczość metody rzędu 20 nm, pola
magnetyczne 10 µT
Twardy dysk (NT-MDT)
r
r
F = µ 0 (m ⋅ ∇ )H
Pole magnetyczne próbki
Moment magnetyczny igły
Dc_mfm.swf
Siły magnetyczne (MFM) – metoda oscylacyjna
¾ Przy drugim przejeździe igła wprawiona w
drgania porusza się na stałej średniej
wysokości nad próbką
¾ Mierzone zmiany częstotliwości drgań w
stosunku do częstotliwości własnej igły
¾ Dla sił przyciągających częstotliwość
zmniejsza się, dla odpychających – zwiększa
¾ Sygnał proporcjonalny do drugiej
pochodnej pola magnetycznego w kierunku
prostopadłym do płaszczyzny ramienia igły.
r
v
r
r
F ′ = n ⋅ ∇(n ⋅ F )
Ac_mfm3.rar
Powierzchnia Co/Pt ,
OMICRON
Pomiar strat (dissipation force)
¾ Przy drugim przejeździe igła pętla
sprzężenia zwrotnego utrzymuje stałą –
rezonansową – częstotliwość drgań igły
¾ Pomiar oddziaływań na podstawie zmian
amplitudy drgań
¾ Wyznaczane obszary u dużym i małym
tłumieniu
Dissipation_Force_Microscopy.swf
Górny – MFM, dolny – straty.
Największe straty na ściankach
domenowych – igła „ciągnie” ściankę.
Sprzężenie AFM - Raman
¾ Efekt TERS – tip enhanced
Raman spectroscopy, sygnał
Ramana ulega wzmocnieniu w
obszarze pomiędzy
metalizowaną igłą a próbką.
¾ Rozdzielczość lokalnych
pomiarów widma Ramana
rzędu dziesiątek nm
Sprzężenie AFM-SNOM
¾ Pomiar lokalnych właściwości optycznych - Scanning near field
optical microscopy (SNOM)
¾ Światło laserowe dostarczane przez niewielki otwór w powłoce
światłowodu.
¾ Dostępne mody:
- pomiar topografii (shear force)
- odbicie
- transmisja
- luminescencja
Sprzężenie AFM-SNOM
Pomiar topografii:
¾ Kwarcowy „kamerton” wzbudzany do drgań poprzecznych.
¾ Drga cały układ kwarc-światłowód
¾ Elektrody umieszczone na kwarcu rejestrują amplitudę drgań
¾ Podczas skanowania powierzchni utrzymywana stała amplituda
drgań, co ma zapewnić stałą odległość od próbki
¾ Informacja o topografii z pętli sprzężenia zwrotnego
newshearforce.swf
new_trans.swf
new_reflec.swf
new_lumin.swf
Nanolitografia
Techniki nanolitografii:
¾ Tryb kontaktowy (scratching)
¾ Tryb częściowego kontaktu (dynamic plowing)
¾ STM (impuls prądowy powoduje odparowanie/topnienie)
¾ Elektrochemiczna (anode oxidation)
afm_lithography-scratching.swf
AFM_lithography-dynamic_plowing2.swf
STM_lithography2.swf
AFM_Oxidation_Lithography.swf
Wzór na powierzchni
tytanu Ti