Skaningowy mikroskop tunelowy

Skaningowy mikroskop tunelowy
[edytuj]
Z Wikipedii
Skocz do: nawigacji, szukaj
Skaningowy mikroskop
tunelowy (STM od ang.
Scanning Tunneling
Microscope) - rodzaj SPM,
mikroskopu ze skanującą
sondą (ang. Scanning Probe
Microscope) - umoŜliwia
uzyskanie obrazu powierzchni
materiałów przewodzących ze
zdolnością rozdzielczą rzędu
pojedynczego atomu.
Uzyskanie obrazu powierzchni
jest moŜliwe dzięki
wykorzystaniu zjawiska
Skaningowy mikroskop tunelowy na zestawie do tłumienia drgań.
tunelowego, od którego
przyrząd ten wziął swoją
nazwę. Ten sam skrót uŜywany
jest do określenia gałęzi
mikroskopii - STM (ang.
Scanning Tunneling
Microscopy).
Obraz zanieczyszczeń Cr na powierzchni Fe(001)
Spis treści
[ukryj]
•
•
•
•
•
•
1 Historia wynalezienia
2 Zasada działania
3 Zastosowanie
4 Bibliografia
5 Przypisy
6 Zobacz teŜ
1
•
7 Linki zewnętrzne
Historia wynalezienia [edytuj]
Mikroskop STM został po raz pierwszy skonstruowany przez Gerda Binniga oraz Heinricha
Rohrera. Obaj naukowcy pod koniec 1978 roku rozpoczęli badania procesów wzrostu, struktury i
własności elektrycznych bardzo cienkich warstw tlenków. Aby móc kontynuować badania w tej
dziedzinie potrzebne było urządzenie dające moŜliwość obserwacji powierzchni w skali ułamków
nanometra. PoniewaŜ do tej pory nie było przyrządów, które by to umoŜliwiały, Binnig i Rohrer,
w 1982 roku skonstruowali swój własny przyrząd - skaningowy mikroskop tunelowy. Obaj
naukowcy dokonali swojego wynalazku w Szwajcarii, podczas prac w laboratoriach firmy IBM,
mieszczących się w Zurychu, za co, w roku 1986, otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
W tym samym roku G. Binning, C.F Quate i Ch. Gerber skonstruowali mikroskop sił atomowych
(AFM od ang. Atomic Force Microscope).[1]
MoŜliwości STM w zakresie obrazowania zapoczątkowały burzliwy rozwój nowej dziedziny
zwanej mikroskopią sond skanujących (inna nazwa to - skaningowa mikroskopia bliskich
oddziaływań). Skonstruowano róŜne odmiany mikroskopów STM i AFM spośród których
najbardziej znane to: mikroskop sił tarcia (FFM od ang. Friction Force Microscope), mikroskop
optyczny bliskiego pola (SNOM lub NSOM od ang. Scanning Near-field Optical Microscope),
mikroskop sił magnetycznych (MFM od ang. Magnetic Force Microscope) i mikroskop sił
elektrostatycznych (EFM od ang. Electrostatic Force Microscope).
Zasada działania [edytuj]
Nad powierzchnią próbki, która moŜe być wykonana tylko z materiału przewodzącego prąd
elektryczny, umieszczona jest sonda (igła), którą moŜna poruszać w sposób kontrolowany. Ramię
trzymające igłę mocowane jest do aparatury poprzez skaner piezoelektryczny, który pod wpływem
napięcia elektrycznego, w wyniku zjawiska piezoelektrycznego zmienia w niewielkim stopniu
swe wymiary, a tym samym zmienia połoŜenie igły przesuwając ją nad próbką. W innych
rozwiązaniach układ piezoelektryczny, porusza próbką, a sama sonda pozostaje nieruchoma.
Przemiatanie (skanowanie) kolejnych linii i punktów obrazu próbki odbywa się według z góry
zadanego programu.
Konstrukcje mikroskopu i metody działania:
W prostszych rozwiązaniach zwanych metodą stałej wysokości (ang. constant height
method, CHM) igła porusza się na stałej wysokości nad próbką a aparatura rejestruje
wyłącznie zmiany prądu tunelowego. Rozwiązanie to moŜna stosować tylko w przypadku
próbek o równej powierzchni. W tym rozwiązaniu jeŜeli próbka zawiera wypukłości moŜe
dojść do kolizji igły z materiałem, a w wklęsłościach próbki obraz jest słaby a nawet
całkowicie zanika.
W rozwiniętych konstrukcjach zwanych metodą stałego prądu lub metodą stałej
odległości (ang. constant current method, CCM, constant gap width mode, CGM) igła
moŜe oddalać się i przybliŜać do próbki. Ustalanie odległości igła-próbka jest
przeprowadzane przez odpowiednio szybki układ ujemnego sprzęŜenia zwrotnego w
układzie odległość - prąd tunelowy - napięcie sterujące wysokością. Prąd tunelowy, po
odfiltrowaniu duŜych częstotliwości, jest sygnałem wejściowym układu zapewniającego
2
przepływ stałego prądu tunelowego. W układach tych do obrazowania powierzchni próbki
wykorzystuje się wielkość prądu tunelowego oraz napięcie sterujące wysokością igły.
Najbardziej rozwiniętą metodą jest spektroskopia mikroskopu skaningowego (ang.
scanning tunneling spectroscopy, STS) w mikroskopie tym, dla danego połoŜenia igły,
wyznacza się zaleŜność natęŜenia prądu od przyłoŜonego napięcia. Metoda ta umoŜliwia
określenie gęstości stanów elektronów w badanej substancji. Działanie tej metody opiera
się na teoretycznej prawidłowości mówiącej, Ŝe pochodna natęŜenia prądu tunelowego po
napięciu jest proporcjonalna do gęstości stanów elektronów.
Sonda (drut wolframowy lub Pt/Ir o średnicy 0.2 mm - 0.5 mm) zawiera na końcu kryształ
ustawiony wierzchołkiem w stronę ostrza - dzięki temu zakończeniem sondy jest dokładnie jeden
atom. Odległość sondy od powierzchni próbki jest rzędu kilku angstremów (do 1nm). PrzyłoŜone
napięcie pomiędzy sondą a próbką (od ułamków do kilku woltów). Tak małe napięcie nie jest
wystarczające do tego by elektron pokonał przyciąganie jonów metalu i oderwał się od ostrza igły,
ale dzięki temu, Ŝe próbka jest w niewielkiej odległości od ostrza igły elektron przeskakuje przez
zabroniony obszar (barierę potencjału) do badanej próbki w wyniku emisji polowej istnienie której
tłumaczy się kwantowym zjawiskiem tunelowym, dlatego teŜ nazywany jest prądem tunelowym.
Rysunek 1: Zasada działania mikroskopu STM.
Elektrony tunelują z ostrza przez powietrze (lub próŜnię) do próbki lub odwrotnie w zaleŜności od
kierunku przyłoŜonego napięcia. Wartość prądu tunelowego zaleŜy silnie (wykładniczo) od
szerokości bariery potencjału, w tym przypadku jest to odległość ostrza od najbliŜszych atomów (
a nawet powłok atomowych) próbki. Typowe wartości prądu są rzędu 0.1 - 10 nA a analiza tak
małych prądów wymaga dokładnej i niskoszumnej aparatury.
Komputer analizuje i zapamiętuje mapę prądów tunelowych dla kaŜdego punktu próbki i na tej
podstawie tworzony jest później obraz próbki.
W przypadku badania substancji zbudowanych z róŜnych atomów (nie pierwiastków) wartość
prądu zaleŜy od siły wiązania elektronu przez atom (praca wyjścia). Pomiar tego prądu pozwala
obrazować strukturę atomową powierzchni próbki. Wartość prądu tunelowego dostarcza
informacji o wartości potencjału jaki czuje elektron opuszczający powierzchnię próbki.
3
Wykonanie sondy do mikroskopu STM wbrew pozorom jest stosunkowo łatwe, znacznie
trudniejsze jest wykonanie ostrza do mikroskopu AFM. Najprostszą metodą otrzymania sondy do
mikroskopu STM jest ucięcie drutu noŜyczkami bądź przecinakiem pod kątem 45° - noŜyce i drut
wcześniej muszą być oczyszczone. Najczęściej sondy STM otrzymuje się poprzez
elektrochemiczne trawienie (np. w 30% roztworze KOH), trawienie odsłania strukturę kryształu, a
po selekcji moŜna wybrać odpowiednie ostrze .
Igła rzeczywista
Igła idealna
Rysunek 2: Skanowanie powierzchni próbki atomowo płaskiej przez sondę STM.
Jednym z największych problemów urządzeń STM i AFM jest czułość na drgania zewnętrzne.
Drgania te mają amplitudę rzędu µm czyli są co najmniej 1000 razy większe niŜ odległość sondy
od powierzchni próbki. Aby nie dochodziło do niekontrolowanych zderzeń sondy z powierzchnią
próbki potrzebne są dodatkowe systemy tłumiące drgania. Początkowo był to duŜy problem dla
konstruktorów tych urządzeń, lecz istniejące obecnie systemy antywibracyjne pozwalają działać
tym urządzeniom nawet na wyŜszych piętrach budynków. Źródłami drgań są: ruch samochodowy,
kroki czy nawet hałas. Twórcy pierwszego skaningowego mikroskopu tunelowego do
wytłumienia drgań wykorzystali zjawisko unoszenia się nadprzewodnika w polu magnetycznym umieścili swój mikroskop na nadprzewodzącej czaszy ołowianej wypychanej na zewnątrz z
niejednorodnego pola magnetycznego.
Zdolność rozdzielcza mikroskopu pozwala dostrzec poszczególne atomy. Wadą mikroskopu STM
jest ograniczenie moŜliwości obserwacji tylko do próbek wykonanych z przewodników. Aby
badać materiały nie przewodzące naleŜy posłuŜyć się mikroskopem sił atomowych.[2]
Zastosowanie [edytuj]
Poza obrazowaniem struktury atomowej i profilu powierzchni skanowanej próbki, skaningowy
mikroskop tunelowy znajduje inne zastosowania. Eksperymenty z mikroskopem STM
doprowadziły do waŜnego odkrycia. JeŜeli do igły przyłoŜy się większe napięcie niŜ przy
skanowaniu, to moŜe ona oderwać pojedynczy atom z powierzchni próbki i przełoŜyć go w inne
miejsce. W ten sposób moŜliwa jest obróbka materiału na poziomie atomowym. Mikroskop STM
stał się pierwszym prawdziwym narzędziem nanotechnologii.
Uzyskując zaleŜność prądu tunelowego od napięcia polaryzacji ostrze-próbka moŜna wiele
powiedzieć o lokalnych własnościach elektronowych powierzchni próbki, przykładowo moŜna
wyznaczyć lokalną gęstość stanów, która pomaga zrozumieć wiele zjawisk powierzchniowych,
takich jak adhezja, kohezja, tarcie i wiele zjawisk biologicznych. Skonstruowanie skaningowego
4
mikroskopu tunelowego dało początek nowej metodzie badawczej nazwanej skaningową
spektroskopią tunelową. [3]
Bibliografia [edytuj]
•
•
Scanning Tunneling Microscopy and Its Application, Chunli Bai, Springer Series in
Surface Sciences, 2000, ISBN 3-540-65715-0
STM and SFM in Biology, Othmar Marti, Academic Press, 1993, ISBN 0-12-474500-8
Przypisy
1. ↑ The Scanning Tunneling Microscope, informacja na stronie nobelprize.org
2. ↑ Opis działania skaningowego mikroskopu tunelowego na stronie
webphysics.davidson.edu
3. ↑ Opis zastosowań STM na stronie www.mobot.org
Zobacz teŜ [edytuj]
Zobacz galerię na Wikimedia Commons:
Skaningowy mikroskop tunelowy
•
•
mikroskop sił atomowych (AFM)
SPM
Linki zewnętrzne [edytuj]
•
•
Galeria STM/AFM
Serwis poświęcony STM
Źródło: "http://pl.wikipedia.org/wiki/Skaningowy_mikroskop_tunelowy"
Kategorie: Artykuły na medal • Mikroskopy • Zjawiska powierzchniowe
•
•
•
•
•
Tę stronę ostatnio zmodyfikowano 20:40, 6 kwi 2008.
Tekst udostępniany na licencji GNU Free Documentation License. (patrz: Prawa autorskie)
Wikipedia® jest zarejestrowanym znakiem towarowym Wikimedia Foundation. MoŜesz
przekazać dary pienięŜne Fundacji Wikimedia.
Zasady ochrony prywatności
O Wikipedii
Informacje prawne
5
Scanning tunneling microscope
From Wikipedia, the free encyclopedia
• Ten things you may not know about images on Wikipedia •
Jump to: navigation, search
Image of reconstruction on a clean Gold(100) surface.
STM image of self-assembled supramolecular chains of the organic semiconductor Quinacridone
on Graphite.
Scanning tunneling microscopy (STM) is a powerful technique for viewing surfaces at the
atomic level. Its development in 1981 won its inventors, Gerd Binnig and Heinrich Rohrer (at
IBM Zürich), the Nobel Prize in Physics in 1986[1]. STM probes the density of states of a material
using tunneling current. For STM, good resolution is considered to be 0.1 nm lateral resolution
and 0.01 nm depth resolution[2]. The STM can be used not only in ultra high vacuum but also in
air and various other liquid or gas ambients, and at temperatures ranging from near 0 Kelvin to a
few hundred degrees Celsius[3].
The STM is based on the concept of quantum tunneling. When a conducting tip is brought very
near to a metallic or semiconducting surface, a bias between the two can allow electrons to tunnel
through the vacuum between them. For low voltages, this tunneling current is a function of the
local density of states (LDOS) at the Fermi level, Ef, of the sample[3]. Variations in current as the
probe passes over the surface are translated into an image. STM can be a challenging technique, as
it requires extremely clean surfaces and sharp tips.
6
Contents
[hide]
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1 Tunnelling
2 Procedure
3 Instrumentation
4 Other STM Related Studies
5 Early Invention
6 References
7 See also
8 External links
9 Literature
[edit] Tunnelling
Tunnelling is a functioning concept that arises from quantum mechanics. Classically, an object
hitting an impenetrable wall will bounce back. Imagine throwing a baseball to a friend on the
other side of a mile high brick wall, directly at the wall. One would be rightfully astonished if,
rather than bouncing back upon impact, the ball were to simply pass through to your friend on the
other side of the wall. For objects of very small mass, as is the electron, wavelike nature has a
more pronounced effect, so such an event, referred to as tunneling, has a much greater
probability[3].
Electrons behave as waves of energy, and in the presence of a potential U(z), assuming 1dimensional case, the energy levels ψn(z) of the electrons are given by solutions to Schrödinger’s
equation,
,
where ħ is Planck’s constant, z is the position, and m is the mass of an electron[3]. If an electron of
energy E is incident upon an energy barrier of height U(z), the electron wave function is a
traveling wave solution,
,
where
if E > U(z), which is true for a wave function inside the tip or inside the sample[3]. Inside a barrier,
such as between tip and sample, E < U(z) so the wave functions which satisfies this are decaying
waves,
7
,
where
quantifies the decay of the wave inside the barrier, with the barrier in the +z direction for − κ [3].
Knowing the wave function allows one to calculate the probability density for that electron to be
found at some location. In the case of tunneling, the tip and sample wave functions overlap such
that when under a bias, there is some finite probability to find the electron in the barrier region and
even on the other side of the barrier[3]. Let us assume the bias is V and the barrier width is W, as
illustrated in Figure 1. This probability, P, that an electron at z=0 (left edge of barrier) can be
found at z=W (right edge of barrier) is proportional to the wave function squared,
[3]
.
If the bias is small, we can let U − E ≈ φM in the expression for κ, where φM, the work function,
gives the minimum energy needed to bring an electron from an occupied level, the highest of
which is at the Fermi level (for metals at T=0 kelvins), to vacuum level. When a small bias V is
applied to the system, only electronic states very near the Fermi level, within eV, are excited[3].
These excited electrons can tunnel across the barrier. In other words, tunneling occurs mainly with
electrons of energies near the Fermi level.
However, tunneling does require that there is an empty level of the same energy as the electron for
the electron to tunnel into on the other side of the barrier. It is because of this restriction that the
tunneling current can be related to the density of available or filled states in the sample. The
current due to an applied voltage V (assume tunneling occurs sample to tip) depends on two
factors: 1) the number of electrons between Ef and eV in the sample, and 2) the number among
them which have corresponding free states to tunnel into on the other side of the barrier at the
tip[3]. The higher density of available states the greater the tunneling current. When V is positive,
electrons in the tip tunnel into empty states in the sample; for a negative bias, electrons tunnel out
of occupied states in the sample into the tip[3].
Mathematically, this tunneling current is given by
.
One can sum the probability over energies between Ef − eV and eV to get the number of states
available in this energy range per unit volume, thereby finding the local density of states (LDOS)
near the Fermi level[3]. The LDOS near some energy E in an interval ε is given by
,
8
and the tunnel current at a small bias V is proportional to the LDOS near the Fermi level, which
gives important information about the sample[3]. It is desirable to use LDOS to express the current
because this value does not change as the volume changes, while probability density does[3]. Thus
the tunneling current is given by
where ρs(0,Ef) is the LDOS near the Fermi level of the sample at the sample surface[3]. By using
equation (6), this current can also be expressed in terms of the LDOS near the Fermi level of the
sample at the tip surface,
The exponential term in (9) is very significant in that small variations in W greatly influence the
tunnel current. If the separation is decreased by 1 Ǻ, the current increases by an order of
magnitude, and vice versa[4].
This approach fails to account for the rate at which electrons can pass the barrier. This rate should
affect the tunnel current, so it can be accounted for by using Fermi’s Golden Rule with the
appropriate tunneling matrix element. John Bardeen solved this problem in his study of the metalinsulator-metal junction, MIM[5]. He found that if he solved Schrödinger’s equation for each side
of the junction separately to obtain the wave functions ψ and χ for each electrode, he could obtain
the tunnel matrix, M, from the overlap of these two wave functions[3]. This can be applied to STM
by making the electrodes the tip and sample, assigning ψ and χ as sample and tip wave functions,
respectively, and evaluating M at some surface S between the metal electrodes at z=zo, where z=0
at the sample surface and z=W at the tip surface[3].
Now, Fermi’s Golden Rule gives the rate for electron transfer across the barrier, and is written
,
where δ(Eψ-Eχ) restricts tunneling to occur only between electron levels with the same energy[3].
The tunnel matrix element, given by
,
is a description of the lower energy associated with the interaction of wave functions at the
overlap, also called the resonance energy[3].
Summing over all the states gives the tunneling current as
,
9
where f is the Fermi function, ρs and ρT are the density of states in the sample and tip,
respectively[3]. The Fermi distribution function describes the filling of electron levels at a given
temperature T.
[edit] Procedure
First the tip is brought into close proximity of the sample by some coarse sample-to-tip control.
The values for common sample-to-tip distance, W, range from about 4-7 Ǻ, which is the
equilibrium position between attractive (3<W<10Ǻ) and repulsive (W<3Ǻ) interactions[3]. Once
tunneling is established, piezoelectric transducers are implemented to move the tip in three
directions. As the tip is rastered across the sample in the x-y plane, the density of states and
therefore the tunnel current changes. This change in current with respect to position can be
measured itself, or the height, z, of the tip corresponding to a constant current can be measured[3].
These two modes are called constant height mode and constant current mode, respectively.
In constant current mode, feedback electronics adjust the height by a voltage to the piezoelectric
height control mechanism[6]. This leads to a height variation and thus the image comes from the
tip topography across the sample and gives a constant charge density surface; this means contrast
on the image is due to variations in charge density[4].
In constant height, the voltage and height are both held constant while the current changes to keep
the voltage from changing; this leads to an image made of current changes over the surface, which
can be related to charge density[4]. The benefit to using a constant height mode is that it is faster,
as the piezoelectric movements require more time to register the change in constant current mode
than the voltage response in constant height mode[4].
In addition to scanning across the sample, information on the electronic structure of the sample
can be obtained by sweeping voltage and measuring current at a specific location[2]. This type of
measurement is called scanning tunneling spectroscopy (STS).
[edit] Instrumentation
10
Schematic view of an STM
The components of an STM include scanning tip, piezoelectric controlled height and x,y scanner,
coarse sample-to-tip control, vibration isolation system, and computer[6].
The resolution of an image is limited by the radius of curvature of the scanning tip of the STM.
Additionally, image artifacts can occur if the tip has two tips at the end rather than a single atom;
this leads to “double-tip imaging,” a situation in which both tips contribute to the tunneling[2].
Therefore it has been essential to develop processes for consistently obtaining sharp, usable tips.
Recently, carbon nanotubes have been used in this instance.
A closeup of a simple scanning tunneling microscope head at the University of St Andrews
scanning MoS2 using a Platinum-Iridium stylus.
The tip is often made of tungsten or platinum-iridium, though gold is also used[2]. Tungsten tips
are usually made by electrochemical etching, and platinum-iridium tips by mechanical shearing[2].
Both processes are outlined in C. Bai’s book, reference[2] below.
Due to the extreme sensitivity of tunnel current to height, proper vibration isolation is imperative
for obtaining usable results. In the first STM by Binnig and Rohrer, magnetic levitation was used
11
to keep the STM free from vibrations; now spring systems are often used[3]. Additionally,
mechanisms for reducing eddy currents are implemented.
Maintaining the tip position with respect to the sample, scanning the sample in raster fashion and
acquiring the data is computer controlled[6]. The computer is also used for enhancing the image
with the help of image processing as well as performing quantitative morphological
measurements.
[edit] Other STM Related Studies
Many other microscopy techniques have been developed based upon STM. These include Photon
Scanning Tunneling Microscopy (PSTM), which uses an optical tip to tunnel photons[2]; Scanning
Tunneling Potentiometry (STP), which measures electric potential across a surface[2]; and spin
polarized scanning tunneling microscopy (SPSTM), which uses a ferromagnetic tip to tunnel spinpolarized electrons into a magnetic sample[7].
Other STM methods involve manipulating the tip in order to change the topography of the sample.
This is attractive for several reasons. Firstly the STM has an atomically precise positioning system
which allows very accurate atomic scale manipulation. Furthermore, after the surface is modified
by the tip, it is a simple matter to then image with the same tip, without changing the instrument.
IBM researchers developed a way to manipulate Xenon atoms absorbed on a nickel surface[2] This
technique has been used to create electron "corrals" with a small number of adsorbed atoms,
which allows the STM to be used to observe electron Friedel Oscillations on the surface of the
material. Aside from modifying the actual sample surface, one can also use the STM to tunnel
electrons into a layer of E-Beam photoresist on a sample, in order to do lithography. This has the
advantage of offering more control of the exposure than traditional Electron beam lithography.
Recently groups have found they can use the STM tip to rotate individual bonds within single
molecules. The electrical resistance of the molecule depends on the orientation of the bond, so the
molecule effectively becomes a molecular switch.
[edit] Early Invention
An early, patented invention, based on the above-mentioned principles, and later acknowledged by
the Nobel committeee itself, was the Topografiner of R. Young, J. Ward, and F. Scire from the
NIST ("National Institute of Science and Technolology" of the USA)[8].
[edit] References
1. ^ G. Binnig, H. Rohrer “Scanning tunneling microscopy” IBM Journal of Research and
Development 30,4 (1986) reprinted 44,½ Jan/Mar (2000)
2. ^ a b c d e f g h i C. Bai Scanning tunneling microscopy and its applications Springer Verlag,
2nd edition, New York (1999)
3. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w C. Julian Chen Introduction to Scanning Tunneling
Micro scopy(1993)
4. ^ a b c d D. A. Bonnell and B. D. Huey “Basic principles of scanning probe microscopy”
from Scanning probe microscopy and spectroscopy: Theory, techniques, and applications
2nd edition Ed. By D. A. Bonnell Wiley-VCH, Inc. New York (2001)
12
5. ^ J. Bardeen “Tunneling from a many particle point of view” Phys. Rev. Lett. 6,2 57-59
(1961)
6. ^ a b c K. Oura, V. G. Lifshits, A. A. Saranin, A. V. Zotov, and M. Katayama Surface
science: an introduction Springer-Verlag Berlin (2003)
7. ^ R. Wiesendanger, I. V. Shvets, D. Bürgler, G. Tarrach, H.-J. Güntherodt, and J.M.D.
Coey “Recent advances in spin-polarized scanning tunneling microscopy”
Ultramicroscopy 42-44 (1992)
8. ^ R. Young, J. Ward, F. Scire, The Topografiner: An Instrument for Measuring Surface
Topography, Rev. Sci. Instrum. 43, 999 (1972)
[edit] See also
Wikibooks' [[wikibooks:|]] has more about this subject:
The Opensource Handbook of Nanoscience and Nanotechnology
Wikimedia Commons has media related to:
Scanning tunneling microscope
Part of a series of articles on
Nanotechnology
History
Implications
Applications
Organizations
In fiction and popular culture
List of topics
Subfields and related fields
Nanomaterials
Fullerenes
Carbon nanotubes
Nanoparticles
Nanomedicine
Nanotoxicology
Nanosensor
Molecular self-assembly
Self-assembled monolayer
Supramolecular assembly
DNA nanotechnology
Nanoelectronics
Molecular electronics
Nanocircuitry
Nanolithography
Scanning probe microscopy
13
Atomic force microscope
Scanning tunneling microscope
Molecular nanotechnology
Molecular assembler
Nanorobotics
Mechanosynthesis
This box: view • talk • edit
•
•
•
•
•
•
•
Microscopy
Scanning probe microscopy
Scanning tunneling spectroscopy
Electrochemical scanning tunneling microscope
Atomic force microscope
Electron microscope
Spin polarized scanning tunneling microscopy
[edit] External links
•
•
•
•
•
•
•
Scanning Electron Microscope is filming a STM (mpeg movie 3MB)
Zooming into the Nanoworld (Animation with measured STM images)
SPM - Scanning Probe Microscopy Website
STM Image Gallery at IBM Almaden Research Center
STM Gallery at Vienna University of technology
Build a simple STM with a cost of materials less than $100.00 excluding oscilloscope
Nanotimes Simulation engine download page
[edit] Literature
•
•
•
•
•
•
•
Tersoff, J.: Hamann, D. R.: Theory of the scanning tunneling microscope, Physical Review
B 31, 1985, p. 805 - 813.
Bardeen, J.: Tunnelling from a many-particle point of view, Physical Review Letters 6 (2),
1961, p. 57-59.
Chen, C. J.: Origin of Atomic Resolution on Metal Surfaces in Scanning Tunneling
Microscopy, Physical Review Letters 65 (4), 1990, p. 448-451
G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 50, 120 - 123 (1983)
G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel, Phys. Rev. Lett. 49, 57 - 61 (1982)
G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel, Appl. Phys. Lett., Vol. 40, Issue 2, pp.
178-180 (1982)
R. V. Lapshin, Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and
nanotechnology, Nanotechnology, volume 15, issue 9, pages 1135-1151, 2004
[hide]
v•d•e
Scanning probe microscopy
Common
Atomic force · Scanning tunneling
Other
Electrostatic force · Electrochemical scanning tunneling · Kelvin probe
14
force · Magnetic force · Magnetic resonance force · Near-field scanning
optical · Photothermal microspectroscopy · Scanning capacitance ·
Scanning gate · Scanning Hall probe · Scanning ion-conductance · Spin
polarized scanning tunneling · Scanning voltage
Applications
Scanning probe lithography · Dip-Pen Nanolithography · Featureoriented scanning · IBM Millipede
See also
Nanotechnology · Microscope · Microscopy
Retrieved from "http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_tunneling_microscope"
Categories: Scanning probe microscopy | Swiss inventions
•
•
•
•
•
This page was last modified on 13 May 2008, at 19:25.
All text is available under the terms of the GNU Free Documentation License. (See
Copyrights for details.)
Wikipedia® is a registered trademark of the Wikimedia Foundation, Inc., a U.S. registered
501(c)(3) tax-deductible nonprofit charity.
Privacy policy
About Wikipedia
Disclaimers
SPM
[edytuj]
Z Wikipedii
Skocz do: nawigacji, szukaj
SPM (ang. Scanning Probe Microscope – Mikroskop ze Skanującą Sondą) to ogólna nazwa całej
rodziny mikroskopów, których zasada działania polega na:
1. skanowaniu, czyli przemiataniu pola widzenia mikroskopu liniami, kaŜda linia jest
następnie mierzona punkt po punkcie – obraz tworzony na podstawie tych pojedynczych
punktów pomiarowych
2. wybór punktu pomiarowego następuje poprzez poruszanie nad próbką sondy (próbnika) –
zasadniczy pomiar określonej właściwości badanej próbki jest dokonywany za pomocą tej
sondy.
Skanowanie z reguły realizowane jest za pomocą tzw. skanera lub skanerów piezoelektrycznych
skonstruowanych najczęściej w ten sposób, Ŝe próbka moŜe poruszać się względem głowicy
mikroskopu z sondą (lub głowica względem próbki) w 3 wymiarach. Poruszanie poziome
zapewnia wybór kolejnych linii obrazu (współrzędna y) oraz skanowanie linii (kolejne punkty –
współrzędna x). Skaner pionowy – z reguły o większej rozdzielczości – zapewnia uzyskiwanie
zmiany pionowego połoŜenia sondy względem próbki (współrzędna z).
15
Spis treści
[ukryj]
•
•
•
1 Odmiany SPM
2 Tryby działania SPM
3 Analiza obrazu SPM
o 3.1 Czynniki wpływające na tworzenie obrazu
o 3.2 Artefakty
o 3.3 Korekta obrazu
o 3.4 Linki zewnętrzne
Odmiany SPM [edytuj]
W zaleŜności od:
•
•
•
sposobu realizacji pomiaru,
rodzaju mierzonej właściwości,
środowiska pomiaru,
wyróŜnia się szereg odmian SPM (brakuje literatury polskiej stąd są częste problemy z
terminologią):
•
•
Skaningowy mikroskop tunelowy (en:Scanning Tunneling Microscope, STM, historycznie
pierwszy SPM) – pomiar przepływu prądu elektrycznego pomiędzy metalową sondą a
przewodzącą próbką; zasadniczo pomiar odbywa się w próŜni
Mikroskop sił atomowych, skaningowy mikroskop atomowy (en:Atomic Force
Microscope, AFM) – pomiar odchylenia miniaturowej "spręŜynki"-ramienia (ang.
en:cantilever) z umocowaną sondą (ang. en:cantilever tip, odbicie promienia lasera od
końcówki sondy – wykrywany ruch góra-dół) w wyniku kontaktu z powierzchnią lub
oddziaływania van der Waalsa itp.; wersja podstawowa nazywana jest TAFM
(topograficzny AFM); pomiar odbywa się na wolnym powietrzu (moŜe być próŜnia),
moŜna wykonywać pomiary w roztworach lub środowisku agresywnych gazów, takŜe w
podwyŜszonych temperaturach, równieŜ w trakcie przebiegających reakcji chemicznych
o Mikroskop sił bocznych (en:Lateral Force Microscope, LFM) – reaguje na siły van
der Waalsa itp. ale takŜe na lepkość powierzchni (czteropolowy czujnik światła
lasera – ruch góra-dół i prawo-lewo)
o Mikroskop siły tarcia (en:Friction Force Microscope, FFM) – zbliŜony do LFM
o Skaningowy mikroskop fazowy (en:Phase Detection Microscope, PDM, pozwala
odróŜniać powierzchnie elastyczne i nieelastyczne poprzez wykrywanie
przesunięcia fazowego pomiędzy impulsem wymuszającym a odpowiedzią układu)
o (en:Force Modulation Microscope, FFM, podobnie jak PDM)
o Mikroskop siły elektrostatycznej (en:Electrostatic Force Microscope, EFM) –
pomiar ładunku/potencjału powierzchni próbki (np. badanie układów scalonych w
trakcie ich działania)
o Mikroskop siły magnetycznej (en:Magnetic Force Microscope, MFM) –
wykrywanie domen magnetycznych i ich namagnesowania (np. badanie
powierzchni dysków komputerowych)
16
Skaningowy mikroskop termiczny (en:Thermal Scanning Microscope, TSM,
określa temperaturę i przewodnictwo cieplne próbki dzięki uŜyciu ramienia sondy
zbudowanego z dwu warstw róŜniących się rozszerzalnością cieplną – na tej samej
zasadzie co bimetal w Ŝelazku)
o Skaningowy mikroskop pojemnościowy (en:Capacitance Scanning Microscope,
CSM, określa pojemność elektryczną układu próbka-próbnik – stąd moŜna
wyznaczyć stałą dielektryczną próbki)
o Środowiskowy AFM (en:Environmental AFM, praca w cieczy – ang. Liquid Cell
AFM, LC AFM – lub kontrolowanej atmosferze i temperaturze – nawet do kilkuset
°C)
o Elektrochemiczny AFM (Skaningowy Mikroskop Elektrochemiczny,
en:Electrochemical AFM, ECAFM, równolegle z pomiarem AFM w cieczy moŜna
wykonywać pomiar potencjału elektrycznego, pH itp.)
Mikroskop optyczny bliskiego pola (en:Near-field Scanning Optical Microscope, NSOM
lub en:Scanning Near-field Optical Microscope, SNOM) – pomiar intensywności światła
przechodzącego przez próbkę lub odbitego od niej – źródłem światła jest odpowiednio
uformowany tzw. lejek świetlny (ang. light funnel), czyli próbnik pełniący rolę
światłowodu – dzięki odpowiedniej budowie uzyskuje się ok. 10-krotne zwiększenie
rozdzielczości w porównaniu z moŜliwą do uzyskania w klasycznych mikroskopach
optycznych (zamiast 500 nm rzędu 50 nm) – funkcję skanowania obrazu (x-y-z) wykonuje
standardowy układ sterowania mikroskopu AFM. Zaletą takiego mikroskopu jest
uzyskiwanie takich samych obrazów kolorowych jak to jest w przypadku mikroskopu
optycznego, ale o większej rozdzielczości – w przypadku innych rodzajów mikroskopów
SPM, a takŜe mikroskopów elektronowych SEM (en:Scanning Electron Microscope) i
TEM (en:Transmission Electron Microscope), barwy są czysto umowne.
o
•
Tryby działania SPM [edytuj]
Mikroskopy SPM działają w kilku podstawowych trybach:
•
•
•
•
•
tryb stałej siły (ang. Constant Force Mode, lub stałego sygnału dowolnego typu) – układ
ujemnego sprzęŜenia zwrotnego wbudowany w urządzenie sterujące (ang. controller)
zapewnia bardzo duŜą szybkość działania bez dodatkowej ingerencji sterującego
pomiarem komputera i oprogramowania – informacja uzyskana układu sterowania
pozwala na zrekonstruowanie obrazu
tryb stałej wysokości (ang. Constant Height Mode) – pomiar dokonywany jest przez
skanowanie bez zmiany wysokości, a obraz jest konstruowany dzięki interpretacji
zmiennego sygnału
tryb kontaktowy (ang. Contact Mode, np. CM AFM, z wyjątkiem mikroskopu STM i
innych gdzie pomiar jest wykonywany przez pomiar prądu lub potencjału elektrycznego –
sonda jest prowadzona przy duŜym nacisku na próbkę – tylko dla twardych powierzchni,
moŜe być niszczący
tryb bez kontaktu (ang. Non-Contact Mode, np. NC AFM) nadaje się do dowolnych
próbek
tryb z przerywanym kontaktem (ang. Intermittent Contact Mode, np. IC AFM; Tapping
Mode, TM AFM) – próbnik w kaŜdym punkcie obrazu jest najpierw odsuwany daleko od
próbki a następnie zbliŜany – wymaga długich i ostrych próbników, moŜe być stosowany
do powierzchni o bardzo zróŜnicowanej topografii i duŜych róŜnicach wysokości
pomiędzy sąsiednimi punktami próbki.
17
•
•
tryb pomiaru krzywej siła-odległość (ang. Force-Curve Mode) – zamiast pomiaru obrazu
wykonuje się badanie zaleŜności siły (w AFM; innego sygnału w innych wersjach) od
odległości próbnika od próbki – wykorzystuje się to w celu badania fizykochemicznych
właściwości próbek lub określonych układów.
tzw. Spektroskopia Skaningowa (tunelowa, atomowa itd.) – zamiast pojedynczej (lub
kilku) wartości mierzonej w kaŜdym punkcie próbki, mierzy się całą serię wartości (z
reguły kilkadziesiąt) w pewnym zakresie odległości od próbki (jak powyŜej w trybie
pomiaru krzywej siła-odległość). Najczęściej pomiary moŜna wykonywać na
standardowych mikroskopach, wymagane jest jednak odpowiednie oprogramowanie
sterujące i analizujące obraz
Mikroskopy AFM wykorzystuje się równieŜ często do badań in-situ (łac.) – np. do bezpośredniej
obserwacji procesu formowania cząstek koloidalnych w roztworze.
Analiza obrazu SPM [edytuj]
Czynniki wpływające na tworzenie obrazu [edytuj]
Podstawową rzeczą przy stosowaniu mikroskopów SPM jest interpretacja danych otrzymywanych
bezpośrednio z aparatury – naleŜy pamiętać o tym, Ŝe bezpośrednio zbierane dane nie mają
charakteru współrzędnych (x, y, z) punktów obrazu – nawet w przypadku połoŜenia poziomego
(x, y). Jest wiele czynników, które wpływają na obserwowane wartości, spośród których
najwaŜniejsze to:
•
•
•
•
•
•
skończony rozmiar poprzeczny próbników SPM (w dodatku rosnący wraz z odległością do
próbki) oraz moŜliwość "sondowania" jedynie pod pewnymi określonymi kątami – nie
moŜna "zaglądnąć" we wszystkie miejsca próbki: wąskie szczeliny, obszary pomiędzy
blisko połoŜonymi obszarami o znacznej wysokości względem płaszczyzny próbki, a
szczególnie np. "pod" lub "między" cząstki umieszczone na powierzchni – moŜna
obserwować jedynie ich górne części.
niedoskonałość budowy i kształtu próbnika (sondy) SPM – niezgodność kształtu z
załoŜeniami nowego próbnika (inny kształt geometryczny, czasami kilka wierzchołków
zamiast jednego) a takŜe jego zuŜywanie się (erozja, odłamywanie) i kontaminacja
(zanieczyszczanie) w trakcie pracy mikroskopu
w przypadku próbek o duŜych róŜnicach wysokości pomiędzy bliskimi punktami próbek
(ang. en:high aspect ratio): ze względu na zasięg sił stosowanych w pomiarach sąsiednie
punkty próbki często wpływają na obraz silniej niŜ miejsce nad którym próbnik się
znajduje
w przypadku pomiarów, które nie są prowadzone w wysokiej próŜni (ang. en:UHV),
obecność pary wodnej powoduje formowanie menisku wody, którym moŜe silnie wpływać
na wynik pomiaru
nieliniowość i histereza skanerów piezoelektrycznych (pozycjonowanie próbka-próbnik)
szumy oraz zewnętrzne drgania
Artefakty [edytuj]
Te wszystkie czynniki wpływają na to, Ŝe na obrazach SPM pojawiają się tzw. artefakty
(en:artifact) czyli obiekty, które w rzeczywistości nie istnieją, fragmenty obrazu które "wyglądają"
(nie koniecznie w sensie optycznym!) w rzeczywistości inaczej.
18
Najłatwiejsze do zaobserwowania artefakty to np. sferyczne cząstki koloidalne osadzone na
gładkim podłoŜu (np. mice) wyglądające jak zaokrąglone i pochylone piramidki. Kształt tych
"piramidek" jest wynikiem połączenia w obrazie cech powierzchni (kulista górna część cząstek
koloidu "unosząca się" nad płaską powierzchnią podłoŜa) oraz cech próbnika (typowo: odwrócona
piramida z zaokrąglonym czubkiem) – krzywizna zaokrąglonej części zaobserwowanej
"piramidki" ma wówczas promień krzywizny równy sumie promieni krzywizny cząstki koloidu i
czubka próbnika (ang. en:cantilever tip). Dolna część pochylonych "piramidek" odzwierciedla
zasadniczą cechę budowy typowego próbnika (odwrócona i lekko pochylona piramida) oraz
zaokrąglenie wynikające z kulistego kształtu cząstki koloidu.
Jak moŜna rozpoznać tego typu artefakty związane z kształtem próbnika? W przypadku gdy
wszystkie obiekty na obrazie wyglądają na w jakiś sposób zdeformowane, ale deformacja ma
dokładnie ten sam charakter – np. "piramidki" są identycznie zorientowane (np. pochylenie i
krawędzie zawsze pod tym samym kątem).
Podobnie jest z np. obserwowaniem "podwójnych" obrazów – jest to wynik defektu próbnika
posiadającego podwójny "szczyt" – w wyniku błędnego wykonania, pęknięcia lub kontaminacji.
Dość często przy duŜych stromych obiektach na płaskiej powierzchni obserwuje się (wszędzie
takie same) zagłębienia – mogą one być związane z histerezą skanera piezoelektrycznego lub
boczną deformacją ramienia próbnika spowodowaną bocznym oddziaływaniem próbnika z
obiektem.
Korekta obrazu [edytuj]
Aby rozwiązać te i inne problemy stosuje się wiele metod:
•
•
•
•
usuwanie szumów poprzez wygładzanie – np. gaussowskie, FFT, falki (en:wavelets),
korekta przesuniętych linii skanowania)
korekta kształtu obrazu uwzględniająca nieliniowość i histerezę skanerów
znając w miarę dokładny kształt próbnika moŜna przeprowadzić częściową rekonstrukcję
powierzchni próbki (przy uwzględnieniu ograniczeń związanych z samą metodą), poprzez
tzw. dokonwolucję (ang. en:deconvolution)
o kalibracja próbnika (sondy) za pomocą tego samego SPM pozwala uwzględnić
róŜnice w porównaniu do załoŜonego kształtu i ustawienia oraz kontaminację –
stosując znaną próbkę (np. siatka dyfrakcyjna, specjalnie trawione płytki
kalibracyjne, kuliste cząstki koloidalne na gładkiej powierzchni) wykonuje się
obraz SPM, a potem poprzez porównanie otrzymanego obrazu z (w przybliŜeniu)
rzeczywistym wyglądem próbki dokonuje się rekonstrukcji kształtu próbnika
o kalibracja próbnika na podstawie obrazu z mikroskopu elektronowego (moŜliwa
jedynie po pomiarze) – próbnika nie da się juŜ wykorzystać, nie moŜna
zaobserwować róŜnic w ustawieniu próbnika w stosunku do załoŜonego, nie moŜna
monitorować zuŜywania próbnika ani jego kontaminacji
dość często łączy się kilka trybów lub kilka pomiarów w tym samym trybie działania
mikroskopów AFM w celu uzyskania dodatkowych informacji – np. co najmniej
dwukrotny pomiar w mikroskopie MFM przeprowadzony na róŜnych wysokościach nad
próbką umoŜliwia rozdzielenie informacji o topografii próbki (góry/doliny) od informacji
na temat jej budowy magnetycznej: oddziaływanie magnetyczna maleje z odległością duŜo
słabiej niŜ siły van der Waalsa – znając charakter zmienności obu sił od odległości
moŜemy poprzez rozwiązanie prostego układu równań otrzymać obie informacje.
19
•
tworzenie menisku wody ma niewielki wpływ na obraz mierzony w trybie kontaktowym
Linki zewnętrzne [edytuj]
Zastosowanie w nanotechnologii
Źródło: "http://pl.wikipedia.org/wiki/SPM"
Kategoria: Mikroskopy
•
•
Tę stronę ostatnio zmodyfikowano 21:20, 4 mar 2008.
Tekst udostępniany na licencji GNU Free Documentation License. (patrz: Prawa autorskie)
Wikipedia® jest zarejestrowanym znakiem towarowym Wikimedia Foundation. MoŜesz
przekazać dary pienięŜne Fundacji Wikimedia.
20