Rasterkraftmikroskopie Rasterkraft- und Rastersondenmikroskopie als Werkzeug für nanostrukturierte Festkörper Manfred Smolik, Inst.f. Materialphysik, Univ. Wien

Überblick Historischer Abriß Rastersondenmikroskopie (SPM) Rasterkraftmikroskop (AFM)

Vorreiter 1956 John A. O‘Keefe (*1916,†2000,USA) schlägt die Abbildung im Nahfeld der WW vor

Topografiner 1972 Russel D. Young (USA) Positionierung im nm-Bereich durch Piezotranslatoren Russell D. Young http://physics.nist.gov/GenInt/STM/young.html

Entwicklung des RTM (STM) 1982 Gerd Karl Binning (*1947, D) Heinrich Rohrer (*1933, CH) IBM Zürich Heinrich Rohrer, Gerd Karl Binning http://www.deutsches-museum.de/ausstell/meister/rtm.htm

Entwicklung des RTM (STM) 1986 Nobelpreis "for their design of the scanning tunneling microscope" RTM von Binning und Rohrer http://de.geocities.com/rastertunnelmikroskop2002/ Mikrokosmos-d

Entwicklung des RKM (AFM) 1986 Gerd Karl Binning Christoph Gerber Calvin Quate IBM Zürich Stanford University Das erste RKM verwendet ein RTM um die Verbiegung des Cantilevers zu messen.

Allgemeine Funktionsweise Detektor Regelkreis Monitor Schwingungsdämpfung grobe Annäherung & Positionierung Piezoelektrische Steuerung feine Annäherung & Positionierung Probe Sonde

Allgemeine Eigenschaften Auflösung wird durch die größe des WW-Bereichs festgelegt Art der WW zwischen Probe und Spitze legt die gemessene Probeneigenschaft fest Somit sind verschiedene Messungen mit einem SPM-Aufbau möglich z.B.: AFM/STM

Rastertunnelmikroskop Leitende Spitze, leitende Probe Spannung zwischen Spitze und Probe bewirkt Tunnelstrom In erster Näherung (kleine Tunnel-spannung, freie Elektronen) gilt für den Tunnelstrom:

Rastertunnelmikroskop Mögliche Messungen Topographie Zustandsdichte effektive Austritts-arbeit DOS, 48 Eisenatome auf Cu (111), r = 71,3Å http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/images/stm.gif

Magnetic Field Microscope Spitze mit dünnem ferromagnetischem Film überzogen Non-Contact-Mode Messung der magnetischen Eigenschaften Topographie MFM Prinzip http://www.geocities.com/spezzin_grazer/cap-4/cap4.htm

Magnetic Field Microscope MFM-Bild der Bits auf einer Festplatte, der Bildausschnitt entspricht einer Kantenlänge von ungefähr 30µm MFM-Bild einer Festplatte http://www.tmmicro.com/spmguide/1-3-0.htm

Optische Rasternahfeldmikroskopie Near-field Scanning Optical Microscopy NSOM Sonde: Aluminium beschichtete Glasfaser Öffnungsdurchmesser einige 10nm Auflösungsvermögen bis

Rasterkraftmikroskop (RKM, AFM) Allgemeines Betriebsmodi (Contact, Non-Contact) Scanner Detektoren Spitzen Auflösungsvermögen Beispiele mit Bildern

Allgemeines Die Sonde ist eine Spitze auf einem Cantilever Die Verbiegung des Cantilevers ist ein Maß für die Wechselwirkung Die gemessenen Verbiegungen sind sehr klein (nm) empfindliche Detektionsmethoden notwendig

Allgemeines Laserdiode Spiegel 4-Zonen-Diode Cantilever Spitze Probe Scanner Cantilever Laserdiode Spiegel 4-Zonen-Diode Spitze

Contact-Mode Contact-Mode statische RKM konstante Kraft Auflagekräfte: ~ 106 – 109 N x = const. Probe Spitze

Contact-Mode Phänomenologisches Modell der repulsiven WW: Lennard-Jones-Potential d Repulsive WW

Contact-Mode Es gibt allerdings verschiedenste Einflüsse van der Waals elektrostatische Kapillarkräfte Reibungskräfte Kontaktverhalten

Contact-Mode Vorteil: auch bei Proben in Flüssigkeiten können hohe Auflösungen erzielt werden (Ch, B) Nachteile: Abnutzung der Spitze Beschädigung bzw. Zerstörung der Probe Abbildung bei Oberflächenstörung http://www.tmmicro.com/spmguide/1-2-2.htm

Non-Contact-Mode Non-Contact-Mode dynamische RKM konstanter Kraftgradient Kräfte: ~ 109 – 1012 N d im Bereich: 2 – 20nm k1 k2 d

Non-Contact-Mode Spitze wird mit Eigenfrequenz des Cantilevers zum schwingen gebracht Die WW zwischen Spitze und Probe wirkt wie eine zusätzliche kleine Feder Für die effektive Federkonstante gilt:

Non-Contact-Mode Durch die Änderung der effektiven Federkonstante kommt es zu einer Änderung der Resonanzfrequenz und der Amplitude der Schwingung Die Änderung der Amplitude wird gemessen

Non-Contact-Mode Vorteile: keine Abnutzung der Spitze keine Beschädigung der Probe schnelle Übersichts-aufnahmen möglich (vR > 100µms1) Nachteil: geringere laterale Auflösung verglichen mit dem Contact-Mode Abbildung bei Oberflächenstörung http://www.tmmicro.com/spmguide/1-2-2.htm

Scanner Scanner „rastert“ die Probe ab atomare Auflösung Schrittweiten ~ nm höchste Präzision notwendig „Abrastern“ der Probenoberfläche http://www2.polito.it/research/thin-film/Strumenti/SPM.html

Scanner Aufbau Tripod- und Tube-Scanner Alterung, intrinsische Nichtlinearität Abbildungsfehler Hysterese Kriech-Effekt Cross Coupling Korrektur der Abbildungsfehler open und closed loop

Aufbau Tripod-Scanner Tube-Scanner Tripod-Scanner schematisch http://www.ieap.uni-kiel.de/surface/ag-berndt/mikro/ stm-mikro-3.html Tube-Scanner schematisch http://www.topometrix.com/spmguide/2-1-0.htm

Alterung und Nichtlinearität Intrinsische Nichtlinearität Alterungsprozeß http://www.tmmicro.com/spmguide/2-2-1.htm Intrinsische Nichtlinearität http://www.tmmicro.com/spmguide/2-2-1.htm

Abbildungsfehler Hysterese Abbildungsfehler durch Hysterese http://www.tmmicro.com/spmguide/2-2-2.htm Hysterese http://www.physikinstrumente.com/tutorial/4_20.html

Abbildungsfehler Kriech-Effekt Abbildungsfehler durch Kriech-Effekt http://www.tmmicro.com/spmguide/2-2-3.htm Kriech-Effekt http://www.tmmicro.com/spmguide/2-2-3.htm

Abbildungsfehler Cross Coupling Hauptsächlich durch die Geometrie des Scanners bestimmt Abbildungsfehler durch Cross Coupling http://www.tmmicro.com/spmguide/2-2-5.htm Cross Coupling http://www.tmmicro.com/spmguide/2-2-5.htm

Abbildungsfehler Summe der durch den Scanner verursachten Abbildungsfehler Summe der Abbildungsfehler http://www.tmmicro.com/spmguide/2-2-5.htm

Korrektur der Abbildungsfehler Software (open loop) Rückkopplung (closed loop)

Software Vorteil: billige Methode Nachteil: für gute Ergebnisse müssen fast identische Verhältnisse wie bei der Kalibrierung herrschen Kalibrierungsstruktur 40µm  40µm http://www.tmmicro.com/spmguide/2-4-0.htm Software Korrektur http://www.tmmicro.com/spmguide/2-3-0.htm

Rückkopplung Methoden kapazitive optische Dehnungsstreifen Vorteil: geringe Nichtlinearität < 1% Nachteil: teure Methode

Detektoren Tunnelkontakt-Detektor Kapazitiver Detektor Piezoelektrischer Detektor Optische Detektoren Interferometrie positionssensitive Methode

Tunnelkontakt-Detektor Nur von historischer Bedeutung 1. AFM wenig geeignet da die STM Spitze Kräfte auf den Cantilever ausübt Tunnelkontakt-Detektion schematisch M. Nonnenmacher, „Rastermikroskopie mit Mikrospitzen“,Dissertation, S 13, 1990

Positionssensitives Verfahren 4-Quadranten-Photo-Detektor einfacher optischer und elektronischer Aufbau 4-Zonen-Diode http://www.anfatec.de/pd.htm

Positionssensitives Verfahren B D C + (A+B) (C+D)  (A+C) (B+D) Topographie LFM

Sonden Cantilever Herstellung Spitzen Abbildungsfehler und Auflösung

Cantilever Es gibt zwei Formen des Cantilevers Balkenform (NC) Dreiecksform auch V-Form Cantileverformen http://www.tmmicro.com/products/tips.htm

Balkenform Spitzenradius ~ 10nm Spitzenlänge ~ 5–7 µm Datenblatt Balkenform http://www.tmmicro.com/products/probepdf/ noncontactsiliconcantilevers.pdf

Dreiecksform Spitzenradius ~ 10nm Spitzenlänge ~ 5–7µm Länge ~ 80–300 µm Breite ~ 15–25 µm Dicke ~ 6 µm Dreiecksform http://www.thermomicro.com/products/probepdf/ultra.pdf Abmessungen http://www.tmmicro.com/spmguide/3-0-0.htm

Herstellung Herstellung einer Pyramidenspitze http://www.tmmicro.com/spmguide/3-3-0.htm

Spitzen Pyramidenspitzen Konische Spitzen Nanotube Spitzen

Pyramidenspitzen Spitzenradius normal r < 50nm sharpened r < 20nm Unterschied normal und sharpened http://www.thermomicro.com/products/probepdf/micro.pdf Pyramidenspitze http://www.thermomicro.com/products/probepdf/micro.pdf

Konische Spitzen Spitzenradius r  10nm

Nanotube Spitzen (a) Pyramidenspitze (b) Nanotube Spitze AFM-Aufnahme von Titankörnern mit Pyramidenspitze (c) Nanotube Spitze (d) Pyramidenspitze und Nanotube Spitze http://www.llnl.gov/str/December01/Orme.html

Abbildungsfehler und Auflösung Durch die Geometrie der Spitze entstehen Abbildungsfehler wird das Auflösungsvermögen beeinflußt

Abbildungsfehler und Auflösung Einfluß durch den Öffnungswinkel Spitze mit kleinem Öffnungswinkel http://www.chembio.uoguelph.ca/educmat/chm729/afm/resolution.htm Spitze mit größerem Öffnungswinkel http://www.chembio.uoguelph.ca/educmat/chm729/afm/resolution.htm

Abbildungsfehler und Auflösung Einfluß durch die Spitzenform Unförmige Spitze http://www.siliconmdt.com/freeware/deconvo.htm Unterschied zwischen konischer Spitze und Pyramidenspitze http://www.tmmicro.com/spmguide/4-1-0.htm

Abbildungsfehler und Auflösung Einfluß durch die Spitzenform Einfluß der an der WW beteiligten Spitzenatome http://www.tmmicro.com/spmguide/3-3-0.htm

Auflösungsvermögen Berechnetes Auflösungsvermögen Annahme: nur van der Waals WW Berechnetes Auflösungsvermögen M. Nonnenmacher, „Rastermikroskopie mit Mikrospitzen“,Dissertation, S 61, 1990