Rasterkraftmikroskopie

Präsentation zum Thema: "Rasterkraftmikroskopie"—  Präsentation transkript:

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

2 Überblick Historischer Abriß Rastersondenmikroskopie (SPM)
Rasterkraftmikroskop (AFM)

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

4 Topografiner 1972 Russel D. Young (USA)
Positionierung im nm-Bereich durch Piezotranslatoren Russell D. Young

5 Entwicklung des RTM (STM)
1982 Gerd Karl Binning (*1947, D) Heinrich Rohrer (*1933, CH) IBM Zürich Heinrich Rohrer, Gerd Karl Binning

6 Entwicklung des RTM (STM)
1986 Nobelpreis "for their design of the scanning tunneling microscope" RTM von Binning und Rohrer Mikrokosmos-d

7 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.

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

9 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

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

11 Rastertunnelmikroskop
Mögliche Messungen Topographie Zustandsdichte effektive Austritts-arbeit DOS, 48 Eisenatome auf Cu (111), r = 71,3Å

12 Magnetic Field Microscope
Spitze mit dünnem ferromagnetischem Film überzogen Non-Contact-Mode Messung der magnetischen Eigenschaften Topographie MFM Prinzip

13 Magnetic Field Microscope
MFM-Bild der Bits auf einer Festplatte, der Bildausschnitt entspricht einer Kantenlänge von ungefähr 30µm MFM-Bild einer Festplatte

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

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

16 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

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

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

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

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

21 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

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

23 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:

24 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

25 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

26 Scanner Scanner „rastert“ die Probe ab
atomare Auflösung Schrittweiten ~ nm höchste Präzision notwendig „Abrastern“ der Probenoberfläche

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

28 Aufbau Tripod-Scanner Tube-Scanner
Tripod-Scanner schematisch stm-mikro-3.html Tube-Scanner schematisch

29 Alterung und Nichtlinearität
Intrinsische Nichtlinearität Alterungsprozeß Intrinsische Nichtlinearität

30 Abbildungsfehler Hysterese
Abbildungsfehler durch Hysterese Hysterese

31 Abbildungsfehler Kriech-Effekt
Abbildungsfehler durch Kriech-Effekt Kriech-Effekt

32 Abbildungsfehler Cross Coupling
Hauptsächlich durch die Geometrie des Scanners bestimmt Abbildungsfehler durch Cross Coupling Cross Coupling

33 Abbildungsfehler Summe der durch den Scanner verursachten Abbildungsfehler Summe der Abbildungsfehler

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

35 Software Vorteil: billige Methode Nachteil:
für gute Ergebnisse müssen fast identische Verhältnisse wie bei der Kalibrierung herrschen Kalibrierungsstruktur 40µm  40µm Software Korrektur

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

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

38 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

39 Positionssensitives Verfahren
4-Quadranten-Photo-Detektor einfacher optischer und elektronischer Aufbau 4-Zonen-Diode

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

41 Sonden Cantilever Herstellung Spitzen Abbildungsfehler und Auflösung

42 Cantilever Es gibt zwei Formen des Cantilevers Balkenform (NC)
Dreiecksform auch V-Form Cantileverformen

43 Balkenform Spitzenradius ~ 10nm Spitzenlänge ~ 5–7 µm
Datenblatt Balkenform noncontactsiliconcantilevers.pdf

44 Dreiecksform Spitzenradius ~ 10nm Spitzenlänge ~ 5–7µm
Länge ~ 80–300 µm Breite ~ 15–25 µm Dicke ~ 6 µm Dreiecksform Abmessungen

45 Herstellung Herstellung einer Pyramidenspitze

46 Spitzen Pyramidenspitzen Konische Spitzen Nanotube Spitzen

47 Pyramidenspitzen Spitzenradius normal r < 50nm
sharpened r < 20nm Unterschied normal und sharpened Pyramidenspitze

48 Konische Spitzen Spitzenradius r  10nm

49 Nanotube Spitzen (a) Pyramidenspitze (b) Nanotube Spitze
AFM-Aufnahme von Titankörnern mit Pyramidenspitze (c) Nanotube Spitze (d) Pyramidenspitze und Nanotube Spitze

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

51 Abbildungsfehler und Auflösung
Einfluß durch den Öffnungswinkel Spitze mit kleinem Öffnungswinkel Spitze mit größerem Öffnungswinkel

52 Abbildungsfehler und Auflösung
Einfluß durch die Spitzenform Unförmige Spitze Unterschied zwischen konischer Spitze und Pyramidenspitze

53 Abbildungsfehler und Auflösung
Einfluß durch die Spitzenform Einfluß der an der WW beteiligten Spitzenatome

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