Сканирующая зондовая микроскопия – основные принципы работы 1
Сканирование – построчное перемещение иглы вдоль поверхности Сила взаимодействия иглы с поверхностью от n. N до f. N 2
Основные методы сканирующей зондовой микроскопии Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) - СТМ для работы в газовой среде, - СТМ/СТС для работы в сверхвысоком вакууме - СТМ на спин-поляризованных электронах - СТМ для работы в жидкости (электрохимический СТМ) Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия - сканирующий ближнеполевой оптический микроскоп - сканирующий магнитооптический микроскоп Керра (Фарадея) -сканирующий люминесцентный микроскоп -сканирующий микроскоп комбинационного рассеивания 3
Сканирующая силовая микроскопия (АСМ, ССМ) - АСМ в газовой среде, - АСМ в сверхвысоком вакууме, - АСМ в жидкости, - сканирующий резистивный микроскоп, - сканирующий емкостной микроскоп, - сканирующий микроскоп Кельвина, - магнитно- силовой микроскоп, - магнитно-резонансный силовой микроскоп, - сканирующий микроскоп сил трения, - сканирующий микроскоп упругих сил (микроскоп модуля Юнга), - сканирующий микроскоп адгезионных сил, - сканирующий тепловой микроскоп, - сканирующий акустический микроскоп, - сканирующий микроскоп сдвиговых сил (shear force 4 microscopе)
1. Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) 5
It – туннельный ток, f - работа выхода, ЕF – уровень Ферми Vt- напряжение смещения, m - химический потенциал r (E) - плотность состояний, Z – расстояние между иглой и образцом 6
Зависимость туннельного тока от плотности состояний, работы выхода в игле и образце и расстояния между ними 7
Схема и работа пьезосканера 8
Режим постоянного туннельного тока 9
Примеры изображения с помощью СТМ поверхности С и Si после ионного и лазерного воздействия 10
Режим постоянной высоты (атомарная гофрировка) СТМ-изображение пиролитического графита без компьютерной обработки 11
Современный СТМ для работы на воздухе 1 - Scanning probe microscope Solver PRO (combined with optical microscope TV camera). NT-MDT company. 2 – STM head of Solver PRO 47. 12
СТМ-изображение атомов углерода на поверхности пиролитического графита после компьютерной обработки (вид сверху) Лаборатория ФХП 13
Сверхвысоковакуумный СЗМ фирмы «Omicron» 14
СТМ поверхности Si(111)3 x 1 -Na 15
Реконструированная поверхность Si (7 x 7) 16
«Кораль» - загон из атомов Fe на поверх ности Cu и стоячие волны электронной плотности внутри «острова» 17
СТС - сканирующая туннельная спектроскопия- I(V) – зависимость туннельного тока от напряжения смещения 18
Визуализация в режиме СТС областей с разной концентрацией носителей в Si, подвергнутого интерференционному лазерномуо отжигу 19
2. Сканирующая силовая микроскопия 20
Особенности конструкции сканирующих силовых микроскопов - Кантилевер (микрозонд) построчно перемещается в плоскости x-y относительно образца с помощью пьезотрубки (пьезодвигателя). -Изгиб балки кантилевера регистрируется с помощью фотодиода по отклонению отраженного от балки канилевера лазерного луча. - Цепь обратной связи поддерживает заданную (минимальную) силу взаимодействия иглы кантилевера с поверхностью ( в контактном режиме измерений) 21 - a – кантилевер прикреплен к пьезотрубке b - образец прикреплен к пьезотрубке
Микрозонд - кантилевер АСМ. (Фотографии получены на электронном микроскопе). Балка кантилевера Игла кантилевера 22
Изображения кантилеверов АСМ, полученные с помощью растрового электронного микрскопа (РЭМ) Схема чипов с кантилеверами 23
Таблица основных параметров кантилеверов. Силу взаимодействия зонда с поверхностью F можно оценить следующим образом: , где k – жесткость кантилевера; ∆Z – величина, характеризующая его изгиб. Коэффициенты жесткости кантилеверов k варьируются в диапазоне 10 -3 ÷ 50 Н/м в зависимости от используемых при их изготовлении материалов и геометрических размеров Тип кантилевера L, мкм W, мкм Толщина балки, мкм wr, к. Гц Жесткость, Н/м 90 60 2. 0 420 48 A 250 35 1. 0 20 0. 1 B 350 35 1. 0 10 0. 2 NSG 20 CSG 11 24
Сканирующий зондовый микроскоп Solver PRO фирмы NT-MDT, Зеленоград, Москва для работы на воздухе и в жидкости АСМ-изображения алюмосиликатных диаметром 5 ангстрем колец на поверхности слюды Лаборатория ФХП 25
Главные достоинства СЗМ: получение трехмерных изображений с разрешением до 1 нм; возможность измерения как твердых, так и мягких образцов в газообразной и жидкой среде; небольшие размеры; низкое энергопотребление. СЗМ – Solver P 47 H СЗМ – Solver P 47
Использование различных режимов сканирующей силовой микроскопии для исследования поверхности твердых тел 27
Зависимость силы взаимодействия иглы и поверхности от расстояние между ними (DZ) 28
Контактный режим работы АСМ –режим постоянного тока 1. Игла кантилевера в процессе сканирования в контакте с поверхностью образца. 2. Цепь обратной связи поддерживает постоянной величину отклонения кантилевера, а следовательно и силу взаимодействия иглы с образцом. 29
Контактный режим работы АСМ – режим постоянной высоты 30
Регистрация отклонения балки кантилевера с помощью отраженного лазерного луча и четерехсекционного фотодиода 31
СЗМ позволяет с нанометровой точностью контролировать качество обработки поверхности металлов и полупроводников Профиль поверхности Si вдоль выделенной линии АВ. Глубина царапины 1. 4 нм. СЗМ изображение поверхности полированной пластины Si с царапиной. Средняя высота неровностей 0. 4 нм. 32
Бесконтактный метод получения изображения с помощью АСМ поддержание с помощью блока обратной связи заданной амплитуды колебаний кантилевера (А 0). 33
Полуконтактный режим получения АСМ изображений (tapping mode) (a) (b) 1. Кантилевер колеблется на частоте близкой к резонансной, касаясь поверхности при своем максимальном отклонении вниз. 2. Цепь обратной связи поддерживает постоянной амплитуду колебаний кантилеверa (амплитудное изображение) или фазу колебаний кантилеверa (фазовое избражение – фазовый контраст) 34
Колебательный режим работы АСМ При работе АСМ в колебательных режимах важны резонансные свойства кантилеверов. Собственные частоты изгибных колебаний кантилевера прямоугольного сечения определяются следующей формулой : де l – длина консоли (балки) кантилевера; Е – модуль Юнга; J – момент инерции сечения консоли; ρ- плотность материала; S - площадь поперечного сечения; λ- численный коэффициент (в диапазоне 1÷ 100), зависящий от моды изгибных колебаний. 35
Во время второго прохода регистрируется изменение частоты (D w), амплитуда (D A) или фазы (D f ) колебаний кантилевера, которые пропорциональны градиенту силового взаимодейтствия иглы с поверхностью. w 0 - resonant frequency oscillation amplitude, A 0 - resonant oscillation amplitude Fz- long distance force Q -good quality of the cantilever k – rigidity of the cantilever; 36
Морфология (амплитудное изображение) Фазовое изображение (фазовый контраст) АСМ изображение наночастиц Pd на поверхности угольного электрода Регистрация фазового контраста Лаборатория ФХП 37
Микроскоп сдвиговых сил (shear force microscope) - используется в сканирующей ближнеполевой оптической микроскопии Игла колеблется параллельно поверхности. Параметрами для получения изображения являются сдвиг фазы, частоты или амплитуды колебаний при взаимодействии кончика иглы с поверхностью 38
Силовая спектроскопия Из экспериментальной кривой отклонения кантилевера в зависимости от перемещения пьезосканера D(Z) получают кривую, отображающую взаимосвязь приложенной силы и величины прогиба поверхности под иглой F(∆h) 39
Характеризация упругих свойств микрокапель желатина с помощью силовой спектроскопии Модуль Юнга желатина = 210 ± 30 k. Pa 40 Лаборатория физики и химии поверхности КФТИ
Амплитудномодуляционный режим, используемый при характеризации локальных упругих свойств поверхности. 41
Схема измерений адгезионного взаимодействия 42
Вычисление силы адгезионного взаимодействия – cantilever force constant – cantilever deflection 43
Схема работы АСМ в жидкости Схема жидкостной ячейки АСМ (сканирование образцом). 44 Лаб. ФХП КФТИ
Схема жидкостной ячейки микроскопа Solver-BIO piezotube glass a - модуляционный режим силовых измерений a b b – контактный режим силовых измерений А – амплитуда колебаний балки кантилевера Z – перемещение кантилевера вдоль оси z D – отклонение балки кантилевера при соприкосновении с образцом 45
АСМ изображения эритроцита, полученные в жидкости «живой» эритроцит 12 х12 мкм Эритроцит, обработанный глютеральдегидом Лаборатория ФХП 46
Использование модели Герца для получения модуля Юнга клетки 47
Измерения ex situ Изменение модуля Юнга эритроцита при его обработке 1% водным раствором глютаральдегида в течении 1 мин. Young’s modulus (k. Pa) 300 16 48 Лаборатория ФХП
Бесконтактный режим получения изображений в ССМ Magnetic tip-sample interaction Electrostatic tip-sample interaction 1. Цепь обратной связи поддерживает постоянным зазор между иглой и образцом Z 0 (lift height). 2. Кантилевер колеблется на резонансной частоте, не касаясь поверхности. 49
Двухпроходной метод получения ССМ изображений 1 -ый проход – в контактоном или полуконтактном режие регистрируется профиль поверхности и запоминается в компьютере. 2 -ой проход – кантилевер приподнимается на заранее заданное расстояние, которое сохраняется постоянным за счет повторения зарегистрированного профиля поверхности. 50 Отклонение балки кантилевера обсуловлено вкладом дальнодействующих сил.
Пример использования двухпроходной методики при регистрации магнитного взаимодействия Лаборатория ФХП 51
Влияние особенностей формы иглы и ее траектории на формирование МСМ изображения от ферромагнитных наночастиц различного размера Ni nanoparticles (AFM images) Corresponding MFM images of nanoparticles containing aureoles Лаборатория ФХП 52
Современные магнитные кантилеверы МСМ Schematical drawing of the magnetic Co. Cr tip fabrication steps using ion milling [14]. MFM images taken on standard hard disk recording tracks of 1 and 2 mm periodicity. Image (a) was recorded with a standard MFM probe, (b) was obtained with a supertip, and (c) and (d) represent experimental cross-sectional profiles along the 2 mm track. [14 ] Koblischka M. R. , Hartmann U. , Ultramicroscopy 97, 103 (2003) 53
Трансформация экспериментальных и смоделированных МСМ изображений, демонстрирующих поворот вектора намагниченнгости иглы на 90 гр. Во внешнем магнитнм поле Magnetization reversal of Co microparticle with lateral size 10 x 20 mm Лаборатория ФХП 54
Магнитные микро- и наночастицы с однодоменной, вихревой и многодоменной структурой намагниченности Magnetization switching of submicrometer Co dot induced by MFM tip. a –initial state, 55 b - after switching
АСМ-изображения на воздухе эритроцитов при различном увеличении 35 х35 мкм 9 х9 мкм 11 х11 мкм Лаборатория физики и химии поверхности КФТИ РАН 56
АСМ-изображение фрагмента эритроцита (размер скана 4 х4 мкм) 57 57 Лаборатория физики и химии поверхности КФТИ РАН
АСМ-изображение бактерий кишечной палочки E. coli Лаборатория физики и химии поверхности КФТИ РАН 58
АСМ-изображений кишечной палочки E. coli до (а) и после (б) воздействия дезинфецирующих препаратов. а б Лаборатория физики и химии поверхности КФТИ РАН 59
Изображение молекулы ДНК КГУ, Коновалова О. А. 60
Информация, полученная с помощью сканирующего зондового микроскопа, хранится в виде АСМ кадра - двумерного массива целых чисел aij (матрицы). Физический смысл данных чисел определяется той величиной, которая оцифровывалась в процессе сканирования (при получении трехмерного топографического изображения – это высота рельефа в данной точке). Каждому значению пары индексов ij соответствует определенная точка поверхности в пределах поля сканирования. 61
Различные способы отображения поверхности 62
Различные методы визуализации АСМ изображения (наночастицы палладия на углеродной подложке): а - 2 D яркостное изображение (высота отображена в виде градации серого цвета, шкала высоты приведена справа от АСМ изображения); б - 3 D изображение с боковой подсветкой; в - 3 D яркостное изображение. 63
64
65
66
67
68
69
Эффект свертки (конволюции) – иглы с поверхностью 70
АСМ изображение шариков с пирамидальным зондом (иглой) 71
Изменение АСМ изображения наночастиц в зависимости от формы иглы 72
Алгоритм деконволюции 73
Компьютерное моделирование конволюции-деконволюции а – исходное изображение, б – форма кончика иглы кантилевера, в – АСМ изображение - результат свертки (конволюции) иглы и поверхности, г – восстановленное изображение (после деконволюции). Слева - частично восстановленное, справа - полностью восстановленное изображение исходной поверхности. 74
Восстановление формы иглы 75
Наиболее достоверная игла 76
Использование сканирующих зондовых микроскопов в нанотехнологиях 77
Перемещение отдельных атомов ксенона вдоль поверхности с помощью иглы СТМ 5 нм 78
«Коралловый остров» из атомов Fe на поверхности Cu и стоячие волны электронной плотности внутри «острова» 79
Формирование нанопроволоки из 20 атомов Au с помощью СТМ 80
Индуцированная полем СТМ иглы химическая реакция между отдельными молекулами – получение молекулы C 12 H 10 из двух молекул С 6 Н 5 I 81
Локальное окисление, индуцированное полем иглы АСМ 82
Изображения, полученные на поверхности Ti, с помощью его локального окисления 83
АСМ-литография. Схема формирования окисленной на Si под проводящей иглой АСМ Passivated silicon (hydrophobic surface) Oxidation by lithography at +10 V Formation of silicon dioxide on the surface of passivated silicon Si Si Si. O 2 V Si Si. O 2 84
АСМ изображение сформированной полоски Si. O 2 на Si и его идентификация по величине адгезионного взаимодействия с проводящей иглой АСМ (с нанесенной пленкой Pt). Passivated silicon (hydrophobic surface) F = 3. 2 ± 0. 5 n. N Silicon dioxide (hydrophilic surface) F = 29 ± 3 n. N 85
Изменение структуры намагниченности в частице Со с помощью локального окисления в АСМ а – до окисления б – после окисления 1 - эксперимент 2 - смоделированное МСМ изображение 3, 4 – структура намагниченности 86
Нанолитография с помощью механического воздействия кончика иглы на поверхность 87
Схема формирования локализованных заряженных областей и их визуализация с помощью ЭСМ Si nanoparticles were charged by applying a bias voltage pulse between tip and sample (3 msec, +6 or -6 V), and electrostatic force microscopy was used to image charged areas, to determine quantitatively the amount of stored charge, and to characterize the discharging process. Typically in quantities of about 60 electrons within areas 100 nm in radius. Corresponding EFM images (and profiles) of the positive and negative localized charges obtained in air. Charge areas are about 600 nm. EFM image of localized charges obtained in vacuum. Charge area is 88 about 200 nm.
Пример записи информации с плотностью до 10 Gbit на кв. дюйм в структуре Si. O 2/Si AFM topography image EFM image of localized charges Corresponding profile shows recording density In vacuum decay time of stored charges is more 10 hours 89
Магнитная запись информации Последовательные стадии эксперимента по перемагничиванию субмикронных частиц Fe-Cr. Перемагниченные частицы показаны белыми кружками. 90
Заключение n n n Современной уровень сканирующей зондовой микроскопии позволяет наряду с морфологией поверхности изучать ее качественный состав, определять упругие, адгезионные, электрические, магнитные и другие характеристики с нанометровым пространственных разрешением. Важно, что многие процессы на поверхности можно изучать в реальном масштабе времени. Компьютерная симуляция изображений помогает получать более достоверную информацию о свойствах поверхности 91
Скачать презентацию Сканирующая зондовая микроскопия основные принципы работы 1
Сканирующая зондовая микроскопия.ppt